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Nature Communications 14권, 기사 번호: 5021(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

무척추동물, 설치류, 인간에서는 나이가 들수록 단백질 번역(PT)이 감소합니다. 젊은 나이에 PT가 높아지는 것은 건강에 유익하고, 노화의 수동적인 부산물로 PT가 떨어지는 것으로 추정되어 왔습니다. 초파리(Drosophila)에서 우리는 초기 성인기 동안 PT의 일시적인 상승이 노년기의 노화 궤적과 단백질 항상성 유지에 오래 지속되는 부정적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 초기 수명의 PT 상승을 차단하면 수명/건강 기간이 강력하게 향상되고 연령 관련 단백질 응집이 방지되는 반면, 수명이 긴 파리 계통에서 초기 수명 PT 급증을 일시적으로 유도하면 수명/단백질 항상성의 이점이 사라집니다. 초기 생애의 PT 상승은 단백질 증식 억제 기능 장애를 유발하고, 스트레스 반응을 침묵시키며, 청소년 호르몬-지질 전달 단백질 축 및 생식선 신호 전달을 통해 연령 관련 기능 저하를 유발합니다. 우리의 연구 결과는 PT가 초기 성인기 이후에 적응적으로 억제되어 노년기의 단백질 증식 억제 부담을 완화하고 연령 관련 기능 저하를 늦추며 수명을 향상시키는 것을 시사합니다. 우리의 연구는 평생 PT 역학이 미래의 노화 궤적을 어떻게 형성하는지 이해하기 위한 이론적 틀을 제공합니다.

단백질 번역(PT)은 성장과 발달에 중요한 역할을 하는 필수적인 세포 과정입니다. PT는 어린 나이에 높은 수준으로 발생하지만 인간을 포함한 여러 동물 종에서 중년기에 걸쳐 급격히 감소하여 낮은 수준으로 유지됩니다1,2,3,4,5,6. PT를 낮추면 중요한 세포 단백질이 부족하고 단백질 전환이 느려져 더 많은 단백질 손상이 축적될 수 있으므로 건강에 해로울 것이라고 예상할 수 있습니다. 그러나 평생 동안 PT의 감소는 노화 관련 기능 저하를 늦추고 수명을 연장하며7,8,9,10, 세포 노화 및 노화 관련 질병을 개선하는 것으로 보고되었습니다11,12,13,14,15,16. 우리는 동물 종 전반에 걸쳐 PT가 성인 초기에 증가한다는 점에 주목합니다. 이는 평생 PT 억제가 장수를 촉진하는 데 가장 큰 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 그러나 일반적으로 젊은 나이에 높은 PT는 건강에 유익하고, PT는 노화의 수동적인 부산물로 시간이 지나면서 떨어진다고 생각되어 왔습니다. 이것이 사실인지 여부와 시간 경과에 따른 PT의 동적 변동이 노화에 어떤 영향을 미치는지는 아직 알려지지 않았습니다. 따라서 우리는 Drosophila의 다양한 생활 단계에서 PT를 일시적으로 수정하고 이러한 수정이 노화 표현형에 어떻게 영향을 미치는지 조사했습니다.

우리는 초기 성인기의 일시적인 PT 상승이 인생 후반의 단백질 항상성(단백질 항상성)을 방해하고, 연령 관련 단백질 응집을 유발하며, 연령 관련 감소를 유도한다는 것을 발견했습니다. 우리의 연구 결과는 또한 초기 성인기 이후 PT의 급격한 감소가 단백질 증식 억제 부담을 줄이고 연령 관련 쇠퇴를 늦추며 수명/건강 기간을 향상시키는 데 중요하다는 것을 나타냅니다. 이는 단순히 노화의 수동적 부산물이 아니라 노화와 관련된 PT의 감소가 건강한 노화를 촉진하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다. 우리의 연구는 평생 PT 역학이 미래의 노화 궤적과 단백질 항상성 네트워크를 어떻게 형성하는지 이해하기 위한 이론적 틀을 제공합니다.

Drosophila melanogaster의 남녀 모두에서 우리는 초기 성인기 동안 PT 상승을 관찰했습니다 (그림 1a 여성, 보충 그림 1a 남성). PT는 0일부터 2일까지 약 5배 증가했으며 그 이후에는 현저하게 감소했습니다. 이 관찰은 35S-메티온 통합(그림 1a, 왼쪽), 퓨로마이신 통합(그림 1a, 중간) 및 시험관 내 루시퍼라제 mRNA 리포터 분석(그림 1a, 오른쪽)의 세 가지 독립적인 방법을 사용하여 일관되었습니다. 후자의 분석은 도입된 루시퍼라제 mRNA17을 번역하는 용해물의 용량을 측정합니다. 따라서 루시퍼라제 분석은 0일째의 낮은 PT가 PT를 위해 애벌레 획득 아미노산을 사용할 수 있는 새로 동봉된 파리에 표지된 기질을 공급하는 아티팩트가 아니라는 것을 확인하는 데 사용되었습니다. 조기 PT 상승이 노화 표현형에 미치는 영향을 조사하기 위해 우리는 널리 사용되는 PT 억제제(cycloheximide, CHX)를 사용하여 초기 성인기(0~10일)에 PT를 일시적으로 억제했습니다(그림 1b). 우리는 또한 성인기 후기(40-50일)와 전체 성인기 동안 파리 CHX를 먹였습니다(그림 1c). 이전 연구와 일치하여 전체 성인 수명에 걸쳐 CHX 치료는 수명을 크게 연장했습니다. 놀랍게도 성인이 된 후 처음 10일 동안만 CHX를 치료하면 비슷한 수명 연장이 나타났습니다(그림 1d). 그러나 노년기의 CHX 치료는 수명을 연장하지 못했습니다 (그림 1d, 보충 그림 1b). 이러한 결과는 초기 성인기의 일시적인 PT 상승이 노화의 중요한 동인일 수 있음을 시사합니다.

w1118 (control) flies (Supplementary Fig. 2l). Also, for daGS > w1118, RU486 did not significantly affect egg production across ages (Supplementary Fig. 2h), indicating that RU486 itself did not delay the fertility peak or enhance reproductive fitness at old ages./p> UAS-S6KKQ flies after ± 200 µM RU486 (day 0–10), determined by puromycin incorporation normalized to Ponceau staining. n = 3/group; two-way ANOVA with Sidak post-hoc test. b Experimental scheme to transiently manipulate PT in different life stages; 200 µM RU486 given to daughterless-GeneSwitch GAL4 (daGS)>UAS-S6KKQ flies during early-adulthood (day 0–10), late-adulthood (day 40–50), or whole-adulthood. c In daGS > UAS-S6KKQ flies, early-adulthood (day 0–10) RU486 prolongs lifespan just like whole-adulthood RU486. Late-adulthood (day 40–50) RU486 does not alter lifespan. Each sex: n = 250/group; log-rank test. Puromycin incorporation in (d), chico homozygotes (female) and (e), chico heterozygotes (female) vs. wild-types. Absence of early-adulthood PT elevation in chico homozygotes and chico heterozygotes. n = 3/group; two-way ANOVA with Sidak post-hoc test. Male data in Supplementary Fig. 1. f Experimental scheme to induce the early-adulthood PT elevation in chico homozygotes; ± 200 µM RU486 given to chico1/chico1, UAS-S6KTE; tubulin-GeneSwitch (tubGS) GAL4 flies during early-adulthood (day 0–4). g Puromycin incorporation in chico1/chico1, UAS-S6KTE; tubGS GAL4 flies (±RU486, day 0–4). n = 3/group; two-way ANOVA with Sidak post-hoc test. h Early-adulthood S6KTE overexpression shortens lifespan and largely abolishes longevity of chico homozygotes. chico flies without early-adulthood S6KTE inductions vs. controls. Female: + 34.4%, male: + 37.7% (% change in median lifespan); chico flies with early-adulthood S6KTE inductions vs. controls. Female: + 6.3%, male: + 8.2%. Early-adulthood S6KTE overexpression does not significantly alter lifespan of +/+ controls. Each sex: n = 250/group; log-rank test. Data shown as mean ± SD. *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. Source data are provided as a Source Data file./p>

UAS-S6KTE flies (±RU486 after day 2). n = 3/group; two-way ANOVA with Sidak correction. c Experimental scheme to block age-related decline in PT; 200 µM RU486, 200 µM RU486 + 1 µM CHX, or vehicle given to daughterless-GeneSwitch GAL4 (daGS)>UAS-S6KTE flies after day 2 (the PT peak). d S6KTE overexpression after day 2 shortens lifespan (: −41.8%, male: −45.6%; % change in median lifespan), but concurrent CHX treatment restores lifespan comparable to that of controls. Each sex: n = 250/group; log-rank test. e S6KTE overexpression after day 2 impairs locomotion at day 40. n = 200 female/group; two-way ANOVA with Sidak correction. f S6KTE overexpression after day 2 causes premature defects in gut-barrier integrity in Smurf assays. n = 250 female/group; two-way ANOVA with Sidak correction. g S6KTE overexpression after day 2 impairs cognition in olfaction aversion training at day 40. n = 200 female/group; Chi-square test. h (Left) representative images of eggs laid on vials at day 30 by daGS > UAS-S6KTE flies and daGS > w1118 (control) flies treated with ± RU486 after day 2. (Middle) S6KTE overexpression after day 2 causes faster age-related decline in egg production. n = 100/group; two-way ANOVA with Sidak correction. (Right) Area under the curve was calculated to determine lifetime egg production. S6KTE overexpression after day 2 impairs lifetime egg production. Two-tailed Student’s t-test. Data shown as mean ± SD. *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. male healthspan data in Supplementary Fig. 4. Source data are provided as a Source Data file./p>

w1118; Control 2 = w1118 > UAS-NiPp1; CA ablated=Aug21-GAL4 > UAS-NiPp1. Each sex: n = 250/group; log-rank test. Proportional hazard analysis in Supplementary Fig. 6. Data shown as mean ± SD. *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. Source data are provided as a Source Data file./p>

UAS-bam; Control 2 = NGT-GAL4 > w1118; GSC ablated=NGT-GAL4 > UAS-bam. n = 12/group; two-way ANOVA with Sidak post-hoc test. f Lifespan extension by early-adulthood (day 0–10) CHX is diminished with GSC ablation (female: +10.6% vs. + 46.7%, male: + 12.1% vs. + 30.8%). Each sex: n = 250/group; log-rank test. g Early-adulthood CHX improves lifespan in both fertile controls and sterile OvoD1 mutants. WT Wild-types. n = 250/group; log-rank test. h Proposed model describing mechanisms by which elevated early-adulthood PT triggers proteostatic dysfunction and drives aging. Data shown as mean ± SD. *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. Source data are provided as a Source Data file./p>

5 AA’s, with no MH + 1 charge states, with peptide probabilities of > 80% C.I., and with the number of peptides per protein ≥ 2. The protein probabilities were set to a > 99.0% C.I., and an FDR < 1.0. Scaffold incorporates the two most common methods for statistical validation of large proteome datasets, the false discovery rate (FDR) and protein probability74,75,76. Relative quantification across experiments was then performed via spectral counting77,78, and when relevant, spectral count abundances were then normalized between samples79./p>|0.8| combined with, 2) T-Test (two tail, unequal variance, cut off of p < 0.05), which are then sorted according to the highest statistical relevance in each comparison. For SAM82,83, whereby the weight value (W) is a statistically derived function that approaches significance as the distance between the means (μ1-μ2) for each group increases, and the SD (δ1-δ2) decreases using the formula, W = (μ1-μ2)/(δ1-δ2). For protein abundance ratios determined with N-SC’s, we set a 1.5–2.0 fold change as the threshold for significance, determined empirically by analyzing the inner-quartile data from the control experiments using ln-ln plots, where the Pierson’s correlation coefficient (R) is 0.98, and > 99% of the normalized intensities fell between the set fold change. In each case, all three tests (SAM, T-test, or fold change) have to pass in order to be considered significant./p>

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