《Frontiers in Aging Neuroscience》：The aggregate proteome of Caenorhabditis elegans mitochondria implicates shared mechanisms of aging and Alzheimer’s disease
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本综述通过定量蛋白质组学分析，揭示了线粒体功能障碍和蛋白质聚集是脑衰老和阿尔茨海默病（AD）的核心特征。研究利用秀丽隐杆线虫（C. elegans）模型，发现正常衰老及表达人源Aβ或Tau蛋白会引发线粒体蛋白质组发生独特的不可溶性聚集，并伴随不同的翻译后修饰（PTM）轨迹。文章强调了能量代谢（如TCA循环、OXPHOS）和蛋白质稳态（Proteostasis）网络的崩溃在驱动病理进程中的关键作用，并鉴定出一组保守的、与AD相关的聚集倾向蛋白，为早期生物标志物开发和干预策略提供了新靶点。
背景
线粒体损伤和蛋白质聚集是脑衰老和阿尔茨海默病（AD）的核心病理特征。为阐明AD种子蛋白（Aβ和Tau）如何调控这些过程，研究采用定量蛋白质组学方法，分析了来自正常衰老秀丽隐杆线虫模型以及表达人源Aβ或Tau转基因线虫的肌氨酰不溶性聚集物。线虫作为一种模式生物，为在可控条件下研究衰老和神经退行性变的分子机制提供了独特平台。
结果
研究发现，正常衰老会导致线粒体蛋白质在聚集物中迟发性累积，这揭示了能量代谢受损和蛋白质稳态崩溃。Aβ的表达引起了聚集物的显著扩增，其中包含了糖酵解酶、三羧酸（TCA）循环组分、核糖体蛋白和运输因子，这与广泛的蛋白质稳态和生物能量应激一致，且在很大程度上与衰老相关物种重叠，但其发生时间提前。Tau表达则产生了一组较小的富集蛋白，主要涉及细胞骨架、囊泡和核孔成分。
对翻译后修饰（PTM）的分析，包括4-羟基壬烯醛（4-HNE）加合物、磷酸化、乙酰化和甲硫氨酸氧化，揭示了不同的轨迹：Aβ在早期就施加了氧化和磷酸化负担，而Tau和衰老则显示出在生命中期出现PTM峰值，这与迟发的蛋白质稳态崩溃相一致。跨物种比较揭示了线虫模型与人AD脑聚集物之间存在68个共享的不可溶性蛋白。从中，根据网络指标优先筛选出17个保守的代谢、分子伴侣和运输蛋白，并通过功能性实验进行了验证：RNAi敲低这些基因会加剧瘫痪或损害趋化性，证实了它们的功能重要性。
材料与方法
研究使用了三种秀丽隐杆线虫品系：SJ4103（正常衰老模型）、CL2355（表达人Aβ1–42）和VH255（表达人野生型Tau）。通过年龄同步化获得不同发育阶段的线虫。采用针对线粒体外膜蛋白TOMM22的免疫沉淀法分离线粒体，并从线粒体组分中提取肌氨酰不溶性聚集物。通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行蛋白质鉴定，并使用PEAKS Studio软件分析PTM。通过基因本体（GO）富集分析对蛋白质进行功能注释。跨物种整合分析将线虫数据与人类AD海马体聚集物蛋白质组和血清蛋白质组数据进行比较。最后，在AD线虫模型中进行RNAi敲低，并通过趋化性 assay和瘫痪 assay评估其功能影响。
结果详述
线粒体不可溶性聚集蛋白质的数量随年龄和AD种子蛋白表达而变化。正常衰老过程中，线粒体不可溶性聚集物从成虫第1天到第9天逐渐增加。在表达Aβ的线虫中，每个年龄点的不可溶性聚集物均高于正常衰老，并且也随年龄增长而上升。相比之下，Tau表达在任何年龄点产生的不可溶性聚集蛋白数量都显著少于正常衰老或Aβ相关衰老，并在第5天达到峰值。
核心聚集倾向蛋白常见于衰老和AD。在所有三种条件下共享的133种蛋白质代表了一个核心集合，它们对年龄和AD相关的聚集最为易感。GO富集分析强调了影响神经元功能完整性的关键位点、代谢过程和通路。最富集的术语与线粒体能量代谢相关，包括呼吸链复合体、ATP生物合成、质子转运ATP合酶复合体和TCA循环，凸显了代谢酶在聚集蛋白质组中的突出地位。
线粒体不可溶性聚集物中PTM的动态变化。4-HNE加合物在Aβ表达线虫（CL2355）中负担最重，且在衰老早期（第1天）即达到高峰，随后下降。磷酸化（丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸）位点在Aβ聚集物中数量最多，并在早期就表现出高负荷。赖氨酸乙酰化在Aβ线虫中同样在早期升高。甲硫氨酸氧化在正常衰老和Aβ表达线虫中随年龄增长而增加，但在Tau表达线虫中受到抑制。
Aβ和Tau促进蛋白质的早发性聚集。与同龄正常衰老线虫相比，Aβ或Tau的表达使得大量蛋白质更早地进入不可溶性聚集物。Aβ主要促进代谢、细胞骨架和核酸相关机器的早期聚集，而Tau则加速运输、囊泡和核孔成分的聚集。
跨物种聚集蛋白质组重叠揭示保守的AD/衰老特征。线虫线粒体不可溶性聚集物与人类AD海马体聚集蛋白质组和血清蛋白质组数据的交集产生了68个共同蛋白质。根据网络连通性和影响评分，从中优先选择了17个蛋白质进行深入的功能验证。
RNAi敲低的行为影响。对这17个优先蛋白进行RNAi敲低的功能测试表明，大多数敲低会损害线虫的行为。在趋化性 assay中，多数靶点的敲低显著降低了趋化指数（CI）。在瘫痪 assay中，仅AP1B1的敲低显著减轻了瘫痪，而多个敲低（如HSP90B1, EIF4A1等）则显著加剧了瘫痪。
讨论
本研究通过检查正常衰老和两种AD相关转基因扰动下的线粒体肌氨酰不溶性蛋白质组，得出了三个核心的、具有机制启示性的结果。首先，一个保守的线粒体不可溶性核心将能量代谢、翻译/分子伴侣机器和运输联系起来，其聚集证实了线粒体是AD和正常衰老的核心脆弱环节。
其次，泛神经元表达的Aβ和野生型Tau通过不同的方式干扰这一程序。Aβ广泛扩大了不可溶性蛋白质集合，并在成年早期加速了PTM相关的损伤；而Tau则将反应集中在运输和核转运机器上，并提前了发生时间而未引起同等的体积扩张。
第三，PTM轨迹反映了这些组成差异，并暗示了不同的上游应激源，这些应激源最终汇聚于线粒体功能障碍。这些模式共同将线粒体蛋白质组崩溃置于衰老和AD种子病理学的中心，并表明Aβ和Tau产生蛋白质毒性的机制途径是重叠但可区分的。
局限性
虽然秀丽隐杆线虫捕捉了蛋白质稳态的保守特征，但它无法模拟完整的哺乳动物神经元复杂性或细胞类型多样性。本研究未在体内测量呼吸通量、线粒体膜电位（ΔΨm）、活性氧（ROS）、ATP和PTM化学计量。PTM计数反映的是鉴定频率而非化学计量，可能受肽段可检测性的影响。跨物种重叠虽然显著，但在人类生物流体或组织中得到确认之前仍是推论性的。
未来方向
未来的研究可通过Seahorse线粒体应激测试在Aβ和Tau表达品系的不同天数测量能量代谢缺陷。可以评估关键代谢酶的活性，并测试抗氧化/抗HNE策略是否能保护其活性。在Tau表达品系中，可评估内吞作用、轴突运输和核质运输，并量化线粒体自噬通量和线粒体分布。这17个优先蛋白及其PTM状态应在啮齿类AD模型和人类脑脊液/血浆队列中作为生物标志物候选物进行评估。针对Aβ主导和Tau主导的病理，应制定不同的干预策略。
