生殖细胞缺失抑制衰老期线虫体细胞应激抵抗的机制研究

The trade-off between germ line and somatic tissue has significant impacts on animal aging. Loss of germ cell promotes somatic stress resistance and delays aging. However, by using C. elegans as model organism, we unexpectedly found that germ cell loss significantly suppressed somatic resistance to multiple stresses in aged animals, which challenges the trade-off theory. Our preliminary data have also shown that the opposite activation of transcription factor DAF-16 in young and aged worms may account for the phenotype. In addition, another transcription factor SKN-1 modulates DAF-16 activity in aged animals, implying its involvement as well. Based on these findings, this project aims to elucidate the mechanisms of how germ cell loss impacts somatic stress resistance in an opposite manner between young and old animals. We will focus on two main aspects: (1) The regulatory roles for DAF-16 and SKN-1 in reversed somatic stress resistance observed in young and aged animals without germline; (2) The underlying mechanisms of how SKN-1 inhibits DAF-16 activity. Our project would reveal novel roles for SKN-1 and DAF-16 in stress resistance and aging, and provide unprecedented insight into the trade-off theory between germ line and soma.

现有的衰老理论支持生殖细胞与体细胞之间存在一种此消彼长现象，生殖细胞缺失可显著增强体细胞应激抵抗，延缓体细胞衰老。利用衰老研究模式生物秀丽隐杆线虫，申请者意外地发现，生殖细胞缺失虽然增强了成年期线虫的应激抵抗能力，却削弱了衰老期动物对多种应激压力的抵抗，表明生殖细胞和体细胞间的此消彼长理论是不完善的。通过对内在机制的初步探索，申请者发现转录因子DAF-16在衰老过程中活性的逆转介导了该现象，而另一转录因子SKN-1可能作为DAF-16上游对其进行调控。据此，本项目拟以DAF-16为中心，研究生殖细胞缺失线虫中体细胞应激抵抗逆转这一现象的机制，主要研究两方面内容：（1）阐明DAF-16和SKN-1在应激抵抗逆转中的功能和关系；（2）解析SKN-1调控DAF-16的分子机制。该研究的开展可阐明SKN-1和DAF-16在衰老和应激抵抗中的新角色，为衰老此消彼长理论的进一步发展和完善提供基础。

应激反应帮助有机体应对各种压力，对细胞存活和动物衰老有着举足轻重的作用。生殖细胞与体细胞的互作决定机体应激反应，生殖细胞缺失能激活线虫转录因子SKN-1，诱导应激反应；然而，如果SKN-1持续激活至衰老期，反而会削弱应激抵抗，其中机制尚不明确。本项目旨在探索SKN-1对应激反应调控的多效性。我们的研究揭示了SKN-1/脂信号轴决定线虫应激反应的关键作用和机制，主要发现包括：（1）SKN-1持续激活会导致不饱和油酸含量的下降，后者通过抑制DAF-16削弱应激抵抗能力。进一步研究揭示，油酸可通过多种机制调控应激反应，一方面油酸通过HSF-1和PMK-1，控制应激基因启动子区域组蛋白乙酰化水平，调控应激基因表达；另一方面，油酸通过整合进膜脂磷脂酰胆碱PC，影响内质网应激反应。并且，油酸介导的应激反应广泛参与线虫对细胞内外压力的适应，如环境高温和DNA损伤等。（2）在此基础上，我们探究了膜脂PC调控应激反应和寿命的机制，发现含有油酸的PC是关键的寿命调控分子。遗传筛选鉴定出新的PC调控蛋白LET-607，并证实其调控不饱和PC水平。而后者含量的下降通过影响内质网钙泵ITR-1及其下游钙依赖激酶，最终调节DAF-16和寿命。（3）SKN-1和脂信号的调控是双向的，我们鉴定出调控SKN-1的关键脂分子二十二碳葡糖神经酰胺，并阐明其作用于溶酶体膜，通过控制溶酶体稳态来决定衰老调控分子TOR的活性，后者进一步调控SKN-1激活和应激反应。综上，本项目的一系列发现建立了SKN-1/脂信号轴这一关键的应激反应调控通路，为应激反应和寿命决定的代谢基础增添了新的内容，相关研究发表于Nature Communications, PLoS Genetics等权威期刊。