《Phytomedicine》：Ginsenoside Rg5 targets the KAT8-CISD2 axis to maintain mitochondrial homeostasis and antagonize senescence
编辑推荐：
本研究针对线粒体功能障碍驱动细胞衰老的关键问题，聚焦于长寿基因CISD2（CDGSH iron-sulfur domain protein 2）的翻译后修饰调控机制。研究人员通过乙酰化蛋白质组学筛选发现CISD2是组蛋白乙酰转移酶KAT8/MSL复合物的新型底物，证实KAT8介导的CISD2 K74位点乙酰化可通过竞争性抑制STUB1介导的K105位点泛素化降解而增强蛋白稳定性。研究首次揭示人参皂苷Rg5作为KAT8激动剂直接结合并激活KAT8-CISD2轴，在细胞和秀丽隐杆线虫模型中均能有效改善线粒体功能、延缓衰老表型，为抗衰老干预提供了新策略。
随着全球人口老龄化加剧，揭示衰老的分子机制并开发有效干预策略已成为生命科学和医学领域的重大挑战。细胞衰老是机体衰老的驱动因素，其特征包括不可逆的细胞周期停滞、衰老相关分泌表型、大分子损伤和代谢重编程。在这一系列变化中，线粒体功能障碍被认为是衰老的核心标志之一，表现为线粒体膜电位降低、活性氧（ROS）产生增加、质子泄漏、线粒体融合/分裂失衡以及三羧酸循环代谢物水平下降。线粒体作为细胞的能量工厂，其稳态失衡会进一步加剧衰老进程，形成恶性循环。
在众多与衰老相关的分子中，CISD2（CDGSH iron-sulfur domain protein 2）作为线粒体外膜蛋白和长寿基因，其表达水平随年龄增长而下降，与细胞衰老密切相关。然而，关于CISD2的翻译后修饰（PTMs）如何调控其功能以及在衰老过程中的作用尚不清楚。同时，组蛋白乙酰转移酶KAT8（lysine acetyltransferase 8）作为MYST家族成员，在基因表达、DNA修复、细胞凋亡等多种生物学过程中发挥重要作用，但其在细胞衰老特别是线粒体功能调控中的具体机制仍有待阐明。
为解决上述问题，吉林大学的研究团队在《Phytomedicine》上发表了一项创新性研究，系统揭示了KAT8介导的CISD2乙酰化在维持线粒体稳态和拮抗细胞衰老中的核心作用，并发现人参皂苷Rg5可作为KAT8激动剂靶向该通路发挥抗衰老效应。
研究团队运用了多种关键技术方法：通过SILAC（稳定同位素标记氨基酸细胞培养）乙酰化蛋白质组学筛选KAT8/MSL复合物底物；利用免疫共沉淀（Co-IP）、GST pull-down等技术验证蛋白质相互作用；采用体外乙酰转移酶实验、位点特异性突变验证乙酰化位点；通过细胞热转移实验（CETSA）、Rg5-PEGA pull-down等技术探究小分子与靶蛋白互作；在线虫模型中通过基因敲降和寿命分析验证通路保守性；运用JC-1染色、DCFH-DA探针、ATP检测、SA-β-Gal染色等技术评估线粒体功能和细胞衰老表型。
MSL复合物介导的CISD2乙酰化连接线粒体功能障碍与细胞衰老
研究人员首先发现，在过氧化氢（H2O2）或阿霉素（Doxorubicin）诱导的衰老细胞中，KAT8/MSL复合物组分表达水平和H4K16ac（组蛋白H4第16位赖氨酸乙酰化）标志均显著降低。通过SILAC乙酰化蛋白质组学分析MSL1敲除（MSL1-KO）细胞，鉴定出CISD2是KAT8/MSL复合物的潜在底物，其乙酰化水平在MSL1缺失时明显下降。生物信息学分析显示，CISD2与线粒体功能和衰老密切相关，提示其可能是连接KAT8/MSL复合物与线粒体衰老的关键分子。
KAT8/MSL复合物与CISD2的功能性相互作用鉴定CISD2为直接乙酰化靶点
分子对接预测KAT8与CISD2之间存在氢键介导的相互作用，其中KAT8的N端区域（氨基酸1-217）与CISD2的C端区域（氨基酸68-135）结合。免疫共沉淀实验证实了内源性KAT8与CISD2的相互作用，且这一作用依赖于MSL1的存在。体外乙酰转移酶实验证明KAT8可直接乙酰化CISD2，而催化失活突变体KAT8-K274A则无此功能。KAT8敲降或特异性抑制剂MG149处理均显著降低CISD2的基础乙酰化水平，证实KAT8是CISD2的主要乙酰转移酶。
CISD2通过KAT8介导的K74位点乙酰化稳定并通过HDAC1经泛素-蛋白酶体途径 destabilized
研究人员发现HDAC1（组蛋白去乙酰化酶1）是CISD2的主要去乙酰化酶，特异性抑制剂MS-275处理可增加CISD2乙酰化。CHX（放线菌酮）追踪实验表明KAT8过表达延长CISD2半衰期，而KAT8敲降促进其降解。乙酰化组学鉴定出K74是CISD2的主要乙酰化位点，K74R（精氨酸突变）模拟去乙酰化状态，显著加速CISD2降解，而K74Q（谷氨酰胺突变）模拟乙酰化状态，增强蛋白稳定性。
KAT8介导的CISD2 K74位点乙酰化阻止STUB1介导的K105位点泛素化以增强蛋白稳定性
通过UbiBrowser预测和实验验证，发现E3泛素连接酶STUB1是CISD2的泛素化酶。KAT8过表达以剂量依赖方式抑制STUB1介导的CISD2泛素化，并减弱两者结合。泛素连接类型分析显示STUB1主要介导K11连接的泛素化。位点突变筛选鉴定K105是STUB1介导降解的关键位点，K105R突变体抵抗STUB1的泛素化。重要的是，KAT8无法抑制CISD2-K105R的泛素化，且K74R/K105R双突变可挽救K74R的不稳定效应，表明K74乙酰化通过空间位阻效应抑制K105的泛素化。
KAT8依赖的CISD2乙酰化稳定在线粒体完整性维持中的作用
亚细胞分级实验证实KAT8、MSL1、STUB1和CISD2均存在于线粒体组分中。KAT8或MSL1敲降导致线粒体网络碎片化、膜电位丧失、ROS积累，以及线粒体动力学蛋白FIS1上调和MFN1/2下调，表型与CISD2缺失相似。在衰老模型中，CISD2-K74Q表达可有效挽救H2O2诱导的线粒体形态异常、ROS过度产生、膜电位崩溃、mtDNA拷贝数减少和ATP合成下降，而CISD2-K74R则无此保护作用，证明K74乙酰化对维持线粒体稳态至关重要。
KAT8介导的CISD2 K74位点乙酰化拮抗细胞衰老
在多种衰老模型中，CISD2乙酰化水平均显著降低。稳定表达CISD2或CISD2-K74Q可降低p21、p16等衰老标志物表达，减少SA-β-Gal阳性细胞比例，抑制γH2AX焦点（DNA损伤标志）形成，并促进EdU掺入（细胞增殖标志），而CISD2-K74R则无此抗衰老效应。在复制性衰老模型中，衰老细胞中CISD2与KAT8结合减弱，与STUB1结合增强，进一步证实KAT8-CISD2轴功能受损是衰老的普遍特征。
进化保守的CISD2-KAT8轴调控线粒体稳态和寿命
在线虫模型中，MYS-2（KAT8同源物）与CISD-1（CISD2同源物）存在物理相互作用，且MYS-2可乙酰化CISD-1的保守K74位点。CISD-1或MYS-2敲降均导致线粒体质量减少、形态异常、ROS积累、ATP合成下降、氧化应激抵抗减弱和寿命缩短，双敲降表型最为严重。随着年龄增长，CISD-1乙酰化水平显著降低，提示乙酰化修饰衰减可能是衰老的保守机制。
人参皂苷Rg5通过KAT8增强CISD2乙酰化维持线粒体稳态并延缓细胞衰老
在多种人参皂苷中，Rg5显著上调CISD2表达并降低衰老标志物水平。机制上，Rg5直接结合KAT8，增强其乙酰转移酶活性，促进CISD2 K74乙酰化，从而抑制STUB1介导的泛素化降解。在细胞衰老模型中，Rg5处理能改善线粒体功能、减少ROS产生、恢复膜电位、降低SA-β-Gal阳性率、促进细胞增殖，而这些效应在CISD2-K74R突变细胞中显著减弱。在线虫中，Rg5延长寿命、减少ROS和脂褐素积累，且这一作用依赖于CISD-1/MYS-2通路。
讨论与结论
本研究首次揭示了KAT8介导的CISD2乙酰化在调控线粒体稳态和细胞衰老中的核心作用。CISD2 K74位点乙酰化与K105位点泛素化之间存在精细的相互制约关系，这种翻译后修饰"对话"决定了CISD2蛋白稳定性及其在线粒体功能维护中的效能。研究创新性地发现人参皂苷Rg5作为KAT8的小分子激动剂，通过直接靶向KAT8-CISD2轴发挥抗衰老作用。
该研究的科学意义在于：首先，阐明了CISD2蛋白稳定性调控的新机制，突破了以往主要关注其转录水平调控的局限；其次，揭示了KAT8在非组蛋白乙酰化中的新功能，拓展了对表观遗传调控与线粒体功能交叉网络的认识；最后，发现Rg5这一天然产物的新靶点和新机制，为开发以KAT8-CISD2轴为靶标的抗衰老药物提供了先导化合物和理论依据。
该研究也存在一些局限：Rg5在哺乳动物整体水平的抗衰老效果仍需验证；KAT8-CISD2轴在特定组织或疾病模型中的作用可能有差异；乙酰化修饰与其他翻译后修饰的交叉调控网络有待进一步解析。
总之，这项研究不仅深化了对衰老分子机制的理解，而且为干预年龄相关疾病提供了新的策略和候选药物，具有重要的理论价值和转化潜力。
