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Nat Aging | “万里长城”老于“维护不足”,史岸冰团队揭示衰老影响肠屏障完整性的机制

作者: 时间:2023-08-29 点击量:


8月28日,基础医学院史岸冰课题组在Nature Aging上发表了题为“与年龄相关的RAB-10功效下降会损害肠屏障的完整性”(Age-associated decline in RAB-10 efficacy impairs intestinal barrier integrity)的研究论文,阐释了细胞内膜运输效能在衰老相关的生理学变化中如何影响肠道屏障完整性

肠道在生物体与外部威胁(如微生物和毒素)相互作用中扮演着关键的屏障角色。然而,随着年龄的增长,动物和人类的肠道功能逐渐减弱,肠道屏障功能障碍可导致多种疾病的发生,包括炎症性肠病、慢性心力衰竭和哮喘。研究显示,延长寿命的干预措施,如降低环境温度或限制饮食,可以延缓动物肠道屏障功能的下降。近期,通过对模式生物秀丽线虫的研究,科学家们发现,随着年龄的增长,线虫中的热休克转录因子HSF-1丧失,导致ACT-5肌动蛋白磷酸化水平上升,加速了肠道顶膜端微丝骨架网络的衰退,损害了肠道屏障功能。

肠上皮屏障功能障碍的一个关键特征是其无法维持选择性通透性,这在衰老过程中较为普遍。比如,老龄大鼠肠绒毛微血管的通透性明显增加;老年人群小肠屏障的渗透性增加,导致与年龄相关的免疫紊乱。通过在模式系统中开展的研究,学界认识到肠上皮屏障的通透性与细胞间连接的结构和功能完整性密切相关。

脊椎动物肠细胞间连接包括紧密连接和粘附连接,参与维持肠道屏障的完整性和细胞间通讯。秀丽线虫和脊椎动物的肠上皮细胞间连接在组成和功能上相似。线虫肠上皮具有单一的顶膜端连接,其功能兼顾紧密连接和粘附连接,是阐明细胞连接组装和功能的理想研究模型。线虫顶膜端连接包含三个主要的组成域(图1):顶膜端区、粘附连接域和DLG-AJM域。其中,粘附连接域的cadherin-catenin复合物由HMR-1/cadherin、HMP-2/β-catenin、HMP-1/α-catenin和JAC-1/p120组成,DLG-AJM域位于粘附连接域的基膜侧,可能参与调节屏障通透性。2018年,史岸冰课题组针对HMP-1/α-catenin分布调控的研究发现,为了将HMP-1精确定位到顶膜端连接区,必须精确地调节内吞循环调控因子RAB-10/Rab10的活性。当干扰RAB-10的活化时,会导致HMP-1在侧膜上异常分布,引发侧膜紊乱和过度延伸。



SDPN-1是哺乳动物PACSINs和果蝇Syndapin的线虫同源物,已知促进内吞体上肌动蛋白聚合。在成年小鼠中,PACSIN2位于肠细胞的顶膜,调节内吞作用和微绒毛形态。

研究表明,SDPN-1和RAB-10之间存在潜在功能关系。SDPN-1缺失会导致RAB-10在细胞质中累积,而RAB-10的缺失会导致SDPN-1在细胞质中扩散,提示SDPN-1是RAB-10功能的潜在负调控因子,而RAB-10是SDPN-1的潜在膜招募因子。然而,本研究发现SDPN-1的膜定位实际上并不是由RAB-10决定,RAB-10缺失细胞中的SDPN-1弥散结构是内吞体形成之前的簇状前体膜结构,SDPN-1仍附着于这些膜结构,并非是蛋白的细胞质弥散。RAB-10缺失后SDPN-1的膜质比并没有发生变化,无论有无RAB-10存在SDPN-1始终与膜标记物PI(4,5)P2有很好的共定位。上述证据表明,SDPN-1的内吞体膜定位主要由磷酸肌醇PI(4,5)P2决定,RAB-10与SDPN-1膜募集无关。

进一步,研究人员发现衰老动物肠道通透性的增加主要是由于粘附连接的结构与功能障碍所致,这与RAB-10缺失造成肠道通透性增加表型一致,提示RAB-10效能在衰老线虫中降低,导致肠道粘附连接完整性受损,且RAB-10功能下降很可能与SDPN-1有关。与此推论一致,SDPN-1的表达在衰老动物中出现大幅度上调,SDPN-1缺失可导致RAB-10及其GEF蛋白DENN-4在内吞体上积累,而SDPN-1过表达会造成RAB-10和DENN-4内吞体标记水平降低。综合这些证据,表明SDPN-1确实是RAB-10功能的负调控因子。进一步的实验发现,SDPN-1仅与无活性形式的RAB-10(GDP)相互作用,且与RAB-10存在弱共定位,SDPN-1与DENN-4的DENN结构域有相互作用,与DENN-4有非常好的共定位。

为了解RAB-10、SDPN-1和DENN-4/GEF三者之间的功能关系,研究人员通过蛋白体外竞争和荧光共振能量转移(Förster resonance energy transfer, FRET)等多类型实验表明SDPN-1与DENN-4/GEF竞争结合RAB-10,进而抑制RAB-10的激活。进一步,研究人员通过AlphaFold2-Multimer预测并验证了SDPN-1与DENN-4竞争RAB-10(GDP)上的结合界面,降低了DENN-4的GEF效能。

研究提示,SDPN-1/PACSINs可以通过其F-BAR结构域介导的自我互作形成寡聚物。为此,研究人员通过粒径排除色谱法(size exclusion chromatography, SEC)和多角度光散射(multi-angle light scattering, MALS)联用,发现SDPN-1存在二聚和六聚两种寡聚态。蛋白互作实验表明,SDPN-1主要利用其二聚体形式与DENN-4竞争结合RAB-10(GDP),而六聚体可能是细胞内储藏库或自我约束形式。与上述生化、生物物理研究结论一致,SDPN-1敲低可缓解衰老相关的粘附连接完整性及肠屏障通透性异常。

最后,研究人员发现SDPN-1对RAB-10的抑制作用需要KGB-1/JUN激酶,年龄相关的KGB-1/JUN活性抑制解除是SDPN-1行使RAB-10抑制效能的必要条件,KGB-1可能通过改变SDPN-1的寡聚态来增强其抑制效能。

综上所述,这项研究在分子水平揭示了衰老相关的内吞循环运输效能变化对粘附连接组装的影响,从细胞内膜动态调控的角度揭示了衰老影响肠屏障选择性通透性的分子过程,为衰老如何影响肠屏障完整性提供了独特的见解。



博士后研究员张静是这项研究的第一作者,课题组刘行博士与史岸冰教授为本研究的通讯作者。

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