生命早期阶段ROS的代谢状态影响机体的寿命

来源：BioArt

撰文 | 雪月

责编 | 兮

人与人之间寿命差异的决定因素中，基因只占10-25%【1】。研究发现余下的寿命差异因素不能完全由环境决定。相同基因背景的秀丽隐杆线虫在相同环境中生长，寿命也会不同。在衰老的研究中，个体寿命出现差异的时间以及控制因素有哪些尚不清楚。基于线虫寿命调控因素的研究发现同步种群线虫幼虫的ROS的水平差异较大。线虫成年早期活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的水平会影响到线虫的寿命【2】。如果运用药理学手段或者改变线粒体活性增加ROS浓度到不致命水平则能够增加线虫抵抗压力能力和寿命。

2019年12月5日，来自美国密西根大学的Ursula Jakob课题组在Nature上发表题为“Developmental ROS individualizes organismal stress resistance and lifespan”的文章。研究发现秀丽隐杆线虫亚群早期发育中自然发生的ROS短暂增加改善机体氧化还原稳态，降低组蛋白H3K4三甲基化水平，促进应激抵抗能力，延长机体寿命。

作者利用Grx1-roGFP2系统进行筛选【3】。Grx1-roGFP2野生型N2线虫普遍表达整合氧化还原敏感蛋白Grx1-roGFP2，能够真实的细胞中反应氧化型和还原型谷胱甘肽（GSSG:GSH）的比例。分析发现L2线虫幼虫氧化还原状态存在个体差异，随着线虫幼虫年龄增长，氧化还原状态变得更加氧化。用重组大颗粒BioSorter系统分析了16000个同步的L2幼虫也证实了个体之间氧化还原状态差异性。

随后，作者分选了三组幼虫：氧化状态高于平均水平的（L2ox）;氧化状态低于平均水平的（L2red）；处于平均水平的（L2mean）。追踪这三群幼虫发现，成年早期时三群线虫氧化状态都会降低，随着年龄增长，三群氧化状态增强。低水平的氧化状态的幼虫L2red与高水平氧化状态的幼虫L2ox在成年后期氧化状态发生转换，但是这种转换机制还未知。

接下来，作者分析各群线虫寿命发现L2ox抗热激能力更强，在热激中寿命比L2red长30%。L2ox线虫在氧化剂百草枯或者胡桃醌（juglone）的环境中生存时间较长。如果用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸处理L2ox幼虫，寿命延长效应则消失。L2ox与L2red两群幼虫的转录组对比分析发现在L2ox中191个上调的基因中的26个与缺失了ASH-2基因的幼虫转录组变化重合。ASH-2是组蛋白甲基化复合物COMPASS的一个组成部分，是组蛋白甲基化家族SET1/MLL（线虫中为SET2）的一员，能够导致组蛋白H3的K4位三甲基化。分析发现L2ox整个机体的H3K4me3水平降低了25%。其他组蛋白修饰H3K27ac或者H3K27me3则无明显变化。虽然机体整体H3K4me3水平发生变化，RNA转录水平却无明显变化。这也表明是氧化的环境影响了H3K4me3复合物的活性水平。

为了检测H3K4me3是否对ROS敏感，作者提纯了线虫的蛋白以便进行甲基化体外研究。但由于稳定性较差，未能成功。作者用不致死的H2O2处理HeLa细胞以探索对整体H3K4me3的影响。在HeLa细胞中观察到用过氧化物处理细胞30分钟能显著降低细胞整体H3K4me3的水平。作者将COMPASS的核心组成部分SET1/MLL1，ASH2L，WDR5，RBBP5，分别用过氧化物处理30分钟，去除氧化剂后检测每个蛋白的体外组蛋白甲基化活性，发现SET1/MLL1对过氧化物敏感。过氧化物处理会导致SET1/MLL1形成两个分子内二硫键。作者用质谱方法验证了这个结果，并发现SET1/MLL1中5个保守的半胱氨酸中有4个对过氧化物敏感，导致其在过氧化物环境中失活。

如若在线虫中沉默COMPASS的成分表达则能够促进线虫应对热应激的能力，并增加寿命。在线虫中沉默ASH-2或者SET2（人SET1/MLL），再用氧化物百草枯处理线虫幼虫L2十小时，氧化物线虫寿命的现象消失了，这也表明H3K4me3的整体水平足够影响线虫的抗热激能力和寿命。

本研究发现了线虫机体早期事件与ROS敏感的表观遗传学标志物和机体寿命之间的联系，揭示生命早期短暂的代谢事件对机体寿命深远的影响，为未来哺乳动物的研究奠定了基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1814-y

参考文献

1. Finch CE, Tanzi RE. Genetics of aging. Science 1997; 278(5337): 407-411; doi 10.1126/science.278.5337.407.

2. Ristow M, Schmeisser S. Extending life span by increasing oxidative stress. Free radical biology & medicine 2011; 51(2): 327-336; doi 10.1016/j.freeradbiomed.2011.05.010.

3. Gutscher M, Pauleau AL, Marty L, Brach T, Wabnitz GH, Samstag Y et al. Real-time imaging of the intracellular glutathione redox potential. Nature methods 2008; 5(6): 553-559; doi 10.1038/nmeth.1212.