《Nature Cell Biology》：ER remodelling is a feature of ageing and depends on ER-phagy
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本研究揭示了衰老过程中内质网（ER）会发生显著的结构与功能重塑，并证实内质网自噬（ER-phagy）是驱动此过程的关键机制。研究人员利用酵母、线虫及哺乳动物模型，发现衰老伴随ER体积减少及由粗糙ER片层向管状ER的形态转变，此过程由组织特异性因子（如TMEM-131）及IRE-1–XBP-1通路介导，且多种延寿干预措施均依赖ER-phagy实现其保护效应，表明ER动态重塑是衰老及延缓衰老的核心环节。
随着机体衰老，细胞内的蛋白质稳态（proteostasis）网络功能逐渐衰退，这被认为是驱动年龄相关性功能下降和疾病发生的关键因素之一。内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）作为真核细胞中最大的膜性细胞器，负责蛋白质合成、折叠、修饰以及脂质合成和钙信号传导等多种关键生命活动，其功能完整性对维持细胞健康至关重要。然而，在衰老过程中，ER是否会发生形态和功能上的适应性改变，以及这种改变是衰老的被动后果还是主动调控过程，此前并不清楚。
为了回答这一问题，Donahue等人发表在《Nature Cell Biology》上的研究，利用模式生物线虫（Caenorhabditis elegans）、酵母乃至哺乳动物模型，首次系统揭示了内质网形态动态变化是衰老的一个保守特征，并阐明了内质网自噬（ER-phagy）在这一过程中的核心驱动作用。
研究人员首先构建了能够特异性标记内质网不同功能亚结构域的转基因线虫品系，例如用GFP标记位于粗糙内质网（rough ER）的SEC-61.B，或用mKate2标记主要分布于管状内质网（tubular ER）和片层边缘的RET-1。通过高分辨率活体成像技术，他们发现，在线虫进入成年期后，多种组织（如表皮、肠道、肌肉和神经元）中的内质网均发生了深刻的年龄依赖性重塑。最显著的变化是内质网总体积（或称为“足迹”）的显著减少，以及形态学上从富含核糖体、负责蛋白质合成的片层结构向更偏向脂质代谢的管状网络的转变。透射电镜分析进一步证实了这种从紧密堆叠的片层向稀疏管状网络的形态转变。
进一步探究其机制发现，这种年龄相关的内质网重塑主要由Atg8和ULK1/UNC-51依赖的内质网自噬所驱动。研究表明，在衰老过程中，内质网成分被选择性靶向并运送至溶酶体进行降解。当通过RNAi敲低关键自噬基因（如atg8/lgg-1或ulk1/unc-51）来抑制ER-phagy时，衰老相关的内质网丢失和形态转变被显著抑制。尤为重要的是，研究人员通过候选基因筛选，发现了一个此前未被表征的内质网跨膜蛋白TMEM-131，其功能类似于ER-phagy受体，在衰老相关的内质网周转中扮演关键角色。TMEM-131的胞质区含有可与自噬 machinery 组件Atg8/GABARAP结合的LC3相互作用区（LIR） motif，体外实验证实了TMEM-131与GABARAP的直接结合。在线虫表皮组织中，敲低tmem-131能有效逆转衰老导致的内质网减少。而在肠道组织中，这一功能则由未折叠蛋白反应（UPR）的IRE-1–XBP-1信号轴承担，体现了ER-phagy通路具有组织特异性。
该研究的另一重要发现是，内质网重塑是多种长寿干预措施的共同特征。在胰岛素/胰岛素样生长因子信号通路（IIS）缺陷、mTOR信号抑制、生殖系缺失或翻译抑制等长寿线虫模型中，年轻个体就已然呈现出与正常衰老个体类似的内质网缩减和管化趋势。更重要的是，ER-phagy对于这些干预措施带来的寿命延长是必需的。例如，在酵母中，雷帕霉素（mTOR抑制剂）处理带来的寿命延长效应在ER-phagy关键基因（如atg40或sec66）缺失突变体中完全消失。在线虫raga-1（mTOR通路相关）突变体中，同时敲低tmem-131和xbp-1能最有效地抑制其长寿表型。这些结果强有力地表明，主动启动的内质网重塑，特别是通过ER-phagy进行的“精简优化”，是一种有益的适应性反应，有助于机体在营养信号改变或生殖投入减少后，调整代谢状态，从而促进长寿。
关键技术方法概览
研究综合运用了多种关键技术：利用内源性荧光蛋白标记（如GFP::SEC-61.B, RET-1::mKate2）进行活体延时成像，动态观测不同年龄段线虫多种组织内ER的形态变化；通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）在超微结构水平验证ER的形态转变；采用RNA干扰（RNAi）技术系统性筛选并验证参与ER-phagy的关键因子（如unc-51, lgg-1, tmem-131, ire-1等）的功能；利用免疫印迹（Western Blot）分析ER相关蛋白（如SEC-61.B, RET-1）在衰老过程中的表达量变化；通过免疫共沉淀（Co-IP）和体外pull-down实验验证TMEM-131与自噬相关蛋白GABARAP的相互作用；此外，还挖掘了已发表的线虫和小鼠跨组织蛋白质组学数据库，分析ER相关蛋白在衰老过程中的整体变化趋势。
研究结果
体内成像揭示成年线虫内质网动态
研究人员开发了能区分粗糙内质网和管状内质网的转基因线虫品系。超分辨率成像显示，内源性标记蛋白GFP::SEC-61.B（富集于粗糙内质网片层）和RET-1::mKate2（富集于管状内质网和片层边缘）在线虫表皮细胞中呈现出经典的内质网亚结构域分布。不同组织中标记蛋白的相对丰度反映了其功能特化，例如分泌功能旺盛的肠道和表皮细胞富含SEC-61.B标记的粗糙内质网，而神经元投射和肌质网则富含RET-1标记的管状内质网。
衰老伴随内质网总量下降和结构功能重塑
对线虫表皮细胞的时序成像显示，衰老（至成年第7天）伴随着内质网总量的显著下降（约70%）以及形态学上的明显改变，SEC-61.B标记的片状结构减少，连接它们的管状网络相对增多，表现为周长面积比（PAR）增加。这种重塑在成年早期（前三天）即已开始。蛋白质组学数据分析进一步表明，衰老过程中，与内质网蛋白稳态（如蛋白处理）相关的蛋白普遍下调，而与脂质代谢相关的蛋白则相对稳定甚至部分上调，提示内质网功能从蛋白质合成向脂质代谢倾斜。
年龄依赖性内质网重塑在不同组织类型中普遍存在
研究表明，内质网重塑现象广泛存在于线虫的多种组织，包括表皮、肠道、肌肉和神经元，但具体形式存在组织特异性。例如，在肠道中，RET-1::GFP在衰老时几乎检测不到，其下降比SEC-61.B更为显著。而在神经元轴突中，RET-1水平反而随年龄增长而升高。这表明年龄依赖性ER重塑虽普遍，但调控机制和表现形式具有组织特异性。
年龄依赖性内质网重塑在从酵母到哺乳动物中保守
对小鼠Tabula Muris Senis项目转录组和蛋白质组数据的挖掘发现，与“ER内蛋白处理”相关的基因在多个组织中随年龄增长一致下调。对小鼠皮层运动神经元的电镜分析也观察到衰老个体中ER体积的减少。在酵母模型中， chronological aging（时序衰老）同样伴随着Sec61标记的ER荧光强度、足迹的下降和PAR的升高，证明ER的年龄依赖性重塑在进化上保守。
内质网自噬驱动年龄发生的内质网重塑
机制上，抑制核心自噬基因（atg8/lgg-1或ulk1/unc-51）能有效阻止衰老相关的ER丢失和形态转变。利用对溶酶体酸性环境不敏感的mCherry标记ER蛋白（TRAP-1::mCherry），研究人员观察到在衰老早期（成年第3天），ER成分在溶酶体（SCAV-3::GFP标记）中的共定位显著增加，且此过程依赖于lgg-1。电镜图像也直接观察到了衰老线虫细胞内含有典型层状ER膜结构的自噬溶酶体。这些证据共同表明ER-phagy是年龄相关ER周转的主要途径。
内质网重塑是寿命延长的共同特征
研究发现，多种长寿干预措施（如IIS抑制、mTOR抑制、生殖系移除、翻译抑制）均能在线虫年轻时期就诱导内质网发生类似于正常衰老的重塑，即ER总量减少、足迹缩小和PAR增加。值得注意的是，在这些长寿动物中，ER片层结构倾向于聚集在核周区域，而周边区域则主要由稀疏的管状网络占据，提示功能分区更加明显。这种重塑同样依赖于ER-phagy通路。
候选筛选揭示TMEM-131在年龄发生内质网重塑中的作用
通过在线虫mTOR通路突变体（raga-1）背景下进行候选基因RNAi筛选，研究人员发现敲低tmem-131能有效逆转该突变体中ER的丢失现象。TMEM-131是一个保守的ER跨膜蛋白，其胞质区含有预测的LIR motif，并能与Atg8家族蛋白GABARAP结合。功能上，TMEM-131的缺失不仅挽救了衰老相关的ER丢失，也削弱了ER成分向溶酶体的输送。这些特征表明TMEM-131可能作为ER-phagy的调控因子或受体样分子发挥作用，但其精确分子机制，特别是与其在胶原分泌中已知功能的关联，仍需进一步研究。
TMEM-131和IRE-1–XBP-1在不同组织中作用以促进年龄发生的内质网周转
组织特异性分析显示，TMEM-131主要在线虫表皮组织中调控年龄相关的ER周转，而在肠道中，这一角色则由IRE-1–XBP-1信号轴承担。敲低ire-1或其下游转录因子xbp-1能特异性挽救肠道ER在衰老过程中的丢失，但对表皮ER无显著影响。这表明不同组织利用特定的分子通路来启动年龄依赖性的ER-phagy。
内质网自噬促进酵母和线虫中mTOR依赖性长寿
最后，研究在酵母和线虫模型中验证了ER-phagy在寿命调控中的因果关系。在酵母中，雷帕霉素（mTOR抑制剂）处理带来的寿命延长效应在ER-phagy关键基因（atg40, sec66）缺失突变体中被显著削弱甚至完全抑制，效果类似于核心自噬基因atg5缺失。在线虫mTOR通路突变体（raga-1）中，单独敲低tmem-131或xbp-1能部分抑制其长寿表型，而同时敲低这两个基因则能更完全地逆转长寿效应，甚至导致短寿。这证明ER-phagy是mTOR依赖性寿命延长所必需的。
结论与意义
该研究系统地证实了内质网形态动态重塑是衰老过程中一个进化上保守的、主动调控的细胞生物学事件，并由内质网自噬（ER-phagy）驱动。这项工作将细胞器形态动力学与机体衰老和寿命调控直接联系起来，揭示了ER-phagy及其相关的调控因子（如TMEM-131和IRE-1–XBP-1）在延缓衰老中的关键作用。研究提出，衰老过程中的内质网缩减和功能转变可能是一种适应性的、有益的重编程过程，有助于机体在生命后期调整代谢平衡和维持细胞功能。然而，当这种重塑过程失调或过度时，也可能导致晚期与年龄相关的病理变化。这些发现不仅深化了对衰老生物学基础的理解，也为未来开发通过调控内质网稳态来干预年龄相关疾病的新策略提供了重要的理论依据和潜在的分子靶点。
