Studiu dezvăluie cum îmbătrânirea remodelează chimia proteinelor din creier

Modificările post-translaționale ale proteinelor, precum acetilarea, fosforilarea și ubiquitarea, influențează funcțiile celulare prin reglarea stabilității, localizării și degradării proteinelor. În acest studiu, cercetătorii de la Leibniz Institute on Aging - Fritz Lipmann Institute (FLI) au analizat modul în care îmbătrânirea afectează aceste modificări în creierul vertebratelor, evidențiind în special remodelarea ubiquitării și legătura acesteia cu degradarea proteică și homeostazia neuronală.
Numeroase modificări post-translaționale contribuie la maturarea neuronală, la formarea sinapselor și la menținerea homeostaziei proteinelor în întreg sistemul nervos. Cercetările anterioare au arătat că pierderea proteostazei este un element central al îmbătrânirii și al multor boli neurodegenerative. În boala Alzheimer, hiperfosforilarea și ubiquitarea proteinei Tau sunt frecvente, în timp ce în demența frontotemporală proteina TDP-43 devine hiperfosforilată și ubiquitată atunci când se acumulează aberant în citoplasmă. În paralel, studii asupra îmbătrânirii creierului de vertebrate au descris alterări selectate ale oxidării cisteinei, persulfidării și fosforilării, însă o analiză sistematică a celor trei modificări majore ale proteinelor – acetilare, fosforilare și ubiquitare – nu era încă disponibilă.

Despre studiu

Metodologie și design experimental

Cercetătorii au analizat creierul de șoarece folosind spectrometrie de masă cu achiziție independentă de date pentru a cuantifica acetilarea, fosforilarea și ubiquitarea proteinelor. Au evaluat:

• 10.487 situri fosforilate
• 7.031 situri ubiquitate
• 6.049 situri acetilate
• 6.453 proteine totale
• 17.994 transcripți

În paralel, au fost studiate modificările ubiquitării la peștele killifish Nothobranchius furzeri, o specie cu durată de viață scurtă, care prezintă semne spontane de degenerare neuronală odată cu înaintarea în vârstă. Pentru a identifica mecanisme cauzale, cercetătorii au utilizat neuroni derivați din celule stem pluripotente induse (iNeurons) umane, supuși inhibării proteazomului sau inhibării acidificării lizozomale. De asemenea, a fost testată o intervenție dietetică – restricție calorică urmată de realimentare – pentru a examina reversibilitatea modificărilor.

Parametri analizați și tehnici suplimentare

• Analize de îmbogățire K-ε-GG pentru detectarea ubiquitării.
• Corelarea ubiquitației cu abundența proteică și cu modificările duratei de înjumătățire a proteinelor.
• Analiza lanțurilor de ubiquitină prin spectrometrie de masă țintită (AQUA-PRM), incluzând cuantificarea legăturilor K6, K11, K27, K33, K48 și K63.
• Analize de ontologie genetică pentru identificarea compartimentelor celulare afectate.

Rezultate

1. Ubiquitarea este modificarea proteică cel mai profund influențată de îmbătrânire

Analiza creierului de șoarece a arătat că ubiquitarea prezintă cele mai ample modificări dintre toate modificările post-translaționale studiate. Componentele principale ale datelor au separat clar animalele tinere de cele vârstnice. Numărul siturilor ubiquitate a fost mai mare la animalele în vârstă, iar majoritatea acestor situri au prezentat o creștere a nivelului de modificare.

Categoriile celulare cel mai afectate de creșterea ubiquitării au inclus:

• teaca de mielină
• mitocondriile
• complexele GTPaze

În contrast, proteinele sinaptice au prezentat o scădere a ubiquitării, sugerând o perturbare a mecanismelor de reglare a plasticității sinaptice în îmbătrânire.

Compararea ubiquitării cu abundența proteică a arătat că 29% dintre siturile modificate nu pot fi explicate prin modificări ale nivelului proteic, indicând o schimbare reală a „ocupării” siturilor de ubiquitate. Printre proteinele ce au prezentat creșteri independente de abundență s-au numărat:

• APP
• TUBB5
• chaperone precum DNAJB2

2. O semnătură a îmbătrânirii conservată între șoarece și killifish

Dintre cele 1.157 situri aliniate între specii, 48% au prezentat modificări consistente. Acest fapt confirmă existența unei semnături ubiquitare conservate în îmbătrânirea cerebrală la vertebrate.

Proteinele cu multiple situri conservate includ:

• MYO1D – implicat în reglarea autofagiei
• HSPA8 – chaperon care inhibă elongarea fibrilelor Tau
• CAMK2A – regulator esențial al plasticității sinaptice, cu ubiquitare redusă în creierul vârstnic

3. Inhibarea proteazomului reproduce o mare parte din modificările legate de vârstă

Studiile pe iNeurons au arătat că inhibarea proteazomului cu bortezomib reproduce aproximativ 60% dintre modificările ubiquitării observate la șoareci, în timp ce inhibarea acidificării lizozomale reproduce doar o mică parte. Aceasta sugerează că declinul activității proteazomului este una dintre cauzele principale ale remodelării ubiquitării în îmbătrânire.

Proteinele legate genetic de boli neurodegenerative, precum:

• VCP – implicată în degradarea proteinelor din reticulul endoplasmatic și stabilitatea genomului
• CNP – componentă esențială a mielinei

au prezentat creșteri marcate ale ubiquitării atât în îmbătrânire, cât și în condițiile de inhibare a proteazomului.

4. Modificarea lanțurilor de ubiquitină: mecanisme distincte ale îmbătrânirii

Analizele AQUA-PRM au confirmat creșterea lanțurilor K6, K11, K33 și K48 în creierul îmbătrânit. Inhibarea proteazomului a reprodus majoritatea acestor modificări, cu excepția lanțurilor K33, care par a implica mecanisme adiționale, posibil legate de interacțiunile cu receptorii autofagici și activitatea deubiquitinazelor.

5. Intervenția dietetică (restricție calorică + realimentare) reconfigurează ubiquitarea cerebrală

Un regim de 30% restricție calorică timp de 4 săptămâni urmat de 7 zile realimentare a modificat profund ubiquitarea proteinelor, fără a altera semnificativ proteomul global.

Aproximativ 37% dintre siturile ubiquitate au prezentat modificări, unele concordante cu îmbătrânirea, dar 23% au prezentat efect invers, sugerând că intervenția dietetică poate atât exacerba, cât și inversa modificările legate de vârstă.

Intervenția a inversat în special:

• alterările siturilor ubiquitate ale proteinelor sinaptice
• modificările ubiquitării proteinelor ribozomale

Aceste modificări pot contribui la efectele pozitive ale restricției calorice asupra funcției cognitive, prin reglarea dinamicii sinaptice și menținerea capacității de sinteză proteică.