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冻龄有术!Science:蛋白组学揭示运动预防大脑衰老的关键蛋白酶

2020-07-29
中科新生命
2589

衰老是一个永恒的话题,也是科研热点。运动锻炼能延缓衰老,但老年群体由于身体虚弱或健康状态不佳,会降低锻炼的能力或意愿。如通过合适的干预延缓大脑的衰老,可有助于降低年龄相关神经退行性疾病的发生率。因此,找出运动缓解衰老的分子机制,开发防治年龄相关神经退行性疾病的药物,对改善老年群体的健康状况具有重要的意义。

2020年7月,加州大学旧金山分校Saul A. Villeda等研究团队在《Science》(IF=41.8)上发表了题为“Blood factors transfer beneficial effects of exercise on neurogenesis and cognition to the aged brain”的研究文章,首先利用蛋白组学和过表达动物模型发现和明确了蛋白酶Gpld1是运动改善老年小鼠神经元功能的关键因子,然后利用蛋白组学和酶活突变体探究和验证了Gpld1的调控机制,阐明了Gpld1在运动缓解神经元衰老中的作用与机理,为防治年龄相关的神经退行性疾病提供了新的方向和理论依据。

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研究材料

1、老年运动小鼠(18月龄,连续跑步6周)和老年静坐小鼠(18月龄)血浆;

2、老年运动小鼠,老年静坐小鼠,成年运动小鼠(7月龄)和成年静坐小鼠(7月龄)血清和各器官组织;

3、老年运动人群和老年静坐人群血清;

4、Gpld1过表达小鼠(Gpld1)和对照组小鼠(Ctrl)血清及海马组织;

5、Gpld1酶活突变体小鼠(H133N),Gpld1过表达小鼠(Gpld1)和对照组小鼠(Ctrl)血清及海马组织。


技术方法

iTRAQ 、Label-free蛋白组学、免疫组化、qPCR、Western Blot等


实验路线图

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研究结果

老年运动组血浆可改善小鼠海马区受损的神经元和认知能力

分别取老年运动组及老年静坐组小鼠血浆注射到另一组老年静坐小鼠,检测发现:注射运动组血浆可同时增加老年小鼠海马新生神经元和成熟神经元的数量,并增高海马区神经营养因子BDNF的表达,以及改善老年小鼠海马依赖性学习记忆障碍。说明运动改善神经元功能的因子。

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蛋白组学筛选功能蛋白

通过蛋白组和WB验证发现运动组(老年/成年)对比静坐组(老年/成年)血清中Gpld1的表达水平显著增加,并且在老年人群(运动组VS静坐组)血清样本中得到了验证。说明Gpld1很有可能参与了运动改善神经元功能的作用。

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Gpld1功能验证

作者先是在各器官组织中检测发现Gpld1在肝脏中高表达,并且运动组肝脏中的表达比静坐组更高。通过高压尾静脉注射Gpld1-GFP质粒构建肝脏Gpld1过表达模型,发现肝脏中过表达Gpld1也可以改善神经元功能。

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Gpld1作用机制探究

为探究Gpld1的作用机理,作者通过蛋白组学分析发现:过表达Gpld1组血清中表达差异最大的40个蛋白在uPAR信号通路有富集,而uPAR是GPI的锚定底物。提示Gpld1可能通过水解GPI-锚定底物发挥运动改善神经元功能的作用。

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Gpld1酶活突变体功能验证

为验证Gpld1通过酶解作用改善神经元功能,作者通过构建突变体Gpld1过表达模型发现:Gpld1-H133N过表达不能改善神经元功能,而野生型Gpld1过表达可以改善神经元功能。说明Gpld1是通过酶活发挥改善神经元功能的作用。

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小编小结

本研究从运动引起的差异表达蛋白入手,通过构建关键蛋白的过表达模型验证了Gpld1改善神经元功能的作用,再通过蛋白组检测Gpld1过表达引起的蛋白表达谱改变探究其作用机理,最后通过酶活突变体验证Gpld1通过酶活发挥对神经元功能的改善作用。该篇文章展示了非常经典的研究模式:蛋白组学筛选-功能验证-组学机制探究-机制验证,发现并验证了Gpld1在运动改善神经元功能中的作用和机制,为开发老年人群抗神经衰老药物提供了非常有价值的研究基础和理论依据。


中科新生命蛋白质组学产品线介绍

※ 前中科院上海生科院蛋白质研究分析中心,超过15年蛋白质组分析与服务积累,提供各类样本分析方案与实验设计方案。

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