论文部分内容阅读
衰老是几乎所有生物都必须面临的过程。衰老的微观分子机制还不清楚,需要系统、全面地进行研究。为了获得一个全局性观点,本研究选择了具有代表性的50个衰老相关蛋白质,应用系统性研究的方法,分别从蛋白质功能相互作用对衰老表型、活性氧物质的调控和脂肪代谢的调控等层面全面地进行了研究。并通过对各层面数据的有机整和分析了衰老相关蛋白质功能相互作用网络结构和性质。本课题目标是通过对衰老相关蛋白质网络的全面系统性研究为衰老机制研究提供一份“元素周期表”,为进一步的研究指明方向并奠定理论基础。 为了开展系统性大规模的实验研究,自主开发建立了以线虫为模式生物用于衰老机制研究的高通量平台和工作流程,单机工作能力比目前国际上同类实验室的人工研究手段提高100倍。和国际上衰老机制研究实验室相比,率先实现了研究平台和流程的高通量和自动化,这样就能够进行大规模的实验研究(可以达到基因组规模),这将极大地推进衰老机制的研究进展。和国际上蛋白质功能相互作用组学实验室相比,该平台和工作流程在以下四个方面发展了蛋白质功能相互作用组学研究。第一,在模式生物方面从单细胞的酵母拓展到多细胞的模式生物线虫。对于衰老机制和其它复杂的生物学问题,多细胞模式生物是必须的。第二,在研究方法的检测指标方面,从单一检测指标即菌落大小发展到有机整合多个生物学指标并进而引入了表型组学的研究理念。多种生物学指标检测及其有机整合促进了深入的分子机制的研究。同类型的研究在衰老生物学领域属于空白。第三,在研究理念上引入了时间维度,并在实验手段上使之成为可能。改变了以往静态功能相互作用研究的特点即基于单一时间点数据。本研究可动态检测多个时间点的时间序列数据。本研究建立的研究平台及分析方法以及由此获得的多层面、动态时间序列的研究数据对当前的系统生物学研究是非常必要的,为建立描述衰老过程的时空动态理论模型提供基础。第四,本研究把蛋白质功能相互作用组学扩展到群体遗传学领域,通过分析生物群体数据研究蛋白质功能相互作用关系。这种扩展除了对衰老研究有重要意义外,还可以应用于社会行为的遗传学基础等研究领域。 基于自主开发的以线虫为模式生物用于衰老机制研究的高通量平台,本课题对衰老相关蛋白质功能相互作用网络进行了全面系统的研究。现今国际上关于衰老机制的实验研究多从单一蛋白质的功能出发探讨衰老现象,还没有从系统、协同的角度综合考虑来揭示衰老机制。本课题通过系统的多参数功能相互作用研究,应用聚类分析给出衰老相关蛋白质功能相互作用网络的模块,揭示了网络模块在衰老过程中的动态性。进一步深入研究了在不同的环境因素下,环境与蛋白质网络间的交互作用对衰老过程的影响,分析了与衰老相关的蛋白质功能相互作用网络在不同环境因素下的动态变化。这种动态变化揭示了衰老相关的蛋白质功能相互作用网络的系统结构和动态行为。实验结果列出具有作用方式多样性及动态性的蛋白质,为开发治疗和预防老年相关疾病的药物提供了新的潜在蛋白质靶点。 活性氧物质参与了众多生理过程。由于过氧化氢较稳定的特性,在众多种类的活性氧物质中对细胞持续伤害作用较大。通过与加州大学伯克利分校合作,开发了活体检测多细胞生物中活性氧物质的分子影像方法,并应用于衰老相关的分子表型的检测。自主开发了用于分子影像表型检测的高内涵分析方法,同时把该方法应用于大规模衰老相关的蛋白质功能相互作用网络研究。 通过整合生存曲线,活性氧物质和脂肪分子影像检测这些表型组学数据,在蛋白质网络层面系统研究了衰老的氧化胁迫理论(自由基理论的发展)的分子基础,并发现联结活性氧物质与脂肪调控的枢纽蛋白质网络节点和两者对衰老过程的影响。从而把衰老研究中经典的氧化胁迫理论和最新的脂肪代谢与衰老关系的研究联系起来。 衰老相关蛋白质功能相互作用网络结构的系统研究不仅揭示了蛋白质SIR2(Silent Information Regulator2)在调控衰老进程中的核心作用,并且发现了多组未知的衰老相关蛋白质之间的功能作用关系。最近的研究进展表明SIR2蛋白在衰老和老年相关疾病的发生过程中有重要作用,而且其作用从线虫到人类具有进化保守性。但其作用机制还有待全面阐明。本课题系统地研究了蛋白质SIR2在线虫中的同源蛋白SIR-2.1在调控衰老过程中的功能和机制。基于对衰老机制的全面系统性研究,将有助于在“共同衰老机制”这一框架下认识各种老年相关疾病的病因和病理机制,从全新的视角提出各种老年相关疾病的治疗和预防策略。本研究发现蛋白质SIR-2.1通过调控活性氧物质和脂肪代谢影响衰老过程。重点研究了以下几个方面科学问题:衰老相关的蛋白质网络的功能模块以及蛋白质SIR-2.1与这些网络功能模块的协同作用;这些协同作用在活性氧物质调控层面对衰老过程的影响;这些协同作用在脂肪代谢层面对衰老过程的影响。本课题将为全面研究蛋白质SIR2通过调控活性氧物质和脂肪代谢影响衰老过程作用的分子机制提供一个系统性的框架和基础,并为新的药物靶点发现和药物开发提供理论指导。