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ROS诱导的核糖体损伤是ZAKa介导的肥胖和衰老代谢下降的基础 - Coggle Diagram
ROS诱导的核糖体损伤是ZAKa介导的肥胖和衰老代谢下降的基础
摘要
引言
当核糖体在mRNA翻译过程中停滞和/或碰撞时，核糖体监视机制就会被激活
这些途径发出核糖毒性应激信号，并协调非生产核糖体的分解
核糖体结合和应激传感 MAP3 激酶 ZAKα 位于核糖体毒性应激反应（RSR）的中心，该反应最终激活并通过应激相关的 MAP 激酶 p38 和 JNK 进行信号传导
RSR途径是非必需的，并且对发生翻译问题的体内条件和RSR在生理上重要的背景知之甚少
总结
ROS 激活了名为 ZAKa 的 MAP3K 蛋白激酶，进而激活了所谓的“核糖体毒性应激反应” (RSR)，该反应会影响核糖体的功能，导致蛋白质合成受损，并最终导致代谢功能障碍
原理
活性氧（ROS）激活p38和JNK并损害核糖体翻译
ZAK基因敲除（KO）小鼠表现出轻度代谢表型，具有消瘦和肥胖减少，表明RSR参与代谢调节
p38和JNK参与代谢转换，例如肥胖症中胰岛素抵抗和肝脏脂肪变性的出现
在肥胖和代谢调节的背景下，这些激酶的激活由洗脱代谢应激信号驱动，所述洗脱代谢应激信号可以由21种已知的p38和JNK导向的MAP 3激酶中的任一种介导
因此，试图研究ROS，RSR信号以及细胞，斑马鱼和小鼠模型的代谢调节之间的潜在联系
结果
证实了ROS在细胞模型中激活RSR，与核糖体的停滞和碰撞有关
体外翻译反应强调，这些作用主要是通过对可溶性翻译因子（包括转移RNA）的作用介导的
当暴露于ROS的病理性爆发时，发育中的zaka基因缺陷的斑马鱼幼虫被强烈地保护免于早期致死，这可能是由于防止了RSR诱导的程序性细胞死亡
ZAK KO小鼠喂食高脂高糖（HFHS）饮食，这与啮齿动物的快速体重增加和ROS驱动的病理学有关，可防止代谢适应不良的早期表现，包括血糖不耐受和肝脏脂肪变性
这些表型伴随着ZAKKO小鼠肝脏中RSR信号的失调。在HFHS喂养的小鼠中，高度翻译的肝脏mRNA显示核糖体的停滞和排队增加，表明存在已知的ZAKa激活结构
雄性小鼠的衰老也与ROS产生增加和代谢恶化有关，表现为血糖耐受不良、随机性肝脏脂肪变性和棕色脂肪组织变白
ZAK KO小鼠受到保护，免受代谢老化的所有这些标志
结论
研究揭示了ROS作为翻译畸变和RSR激活的生理相关来源
受损的核糖体构成代谢应激信号的至少一部分，其驱动肥胖和衰老中不希望的代谢适应不良
Zak基因缺失在小鼠中提供的对这些反应的强有力的保护，使得ZAKa激酶作为非酒精性脂肪性肝炎、高血压和血脂异常等代谢疾病的潜在药物靶标的研究成为必要
将需要进一步的工作来解开RSR信号对上述表型的组织特异性贡献，并确定其他生理相关的核糖毒性应激源
摘要图：核糖毒性应激反应驱动肥胖和衰老中的代谢适应不良。ROS是翻译损伤和应激激酶ZAKa、p38和JNK活化的生理相关来源。在肥胖和衰老小鼠中，这种RSR驱动代谢适应不良，表现为血糖耐受不良、肝脏脂肪变性和棕色脂肪组织（BAT）变白。
ZAKα 是一个与核糖体结合并感知翻译障碍的激酶，它激活了核毒性应激反应 (RSR) 通路，该通路最终激活 p38 和 JNK
背景
在当代社会中，不断获得富含卡路里的食物导致了全球肥胖症的流行，需要对潜在的信号通路有更深入的了解，以指导肥胖和相关代谢疾病的新治疗原则的发展，包括2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、高血压和血脂异常
早期肥胖相关代谢功能障碍的特征包括胰岛素抵抗、胰腺b细胞功能不全、肝脏脂质蓄积（脂肪变性）和脂肪组织肥大
在衰老过程中也发生了类似的变化，这表明代谢改变的潜在机制是相关的
代谢失调的一个潜在驱动因素是活性氧（ROS），其产生在肥胖和衰老中增加
升高的ROS有可能扰乱细胞的氧化还原平衡，并破坏大分子，如蛋白质、DNA和RNA，同时，生理范围内的ROS是具有有益功能的稳态的先决信号分子
尚不清楚升高的ROS如何在生物体规模上扰乱代谢功能，并且潜在的机制可能包括对大分子的不加选择的氧化损伤和调节代谢信号通路
应激激活的丝裂原激活蛋白激酶p38和c-Jun N-末端激酶（JNK）被多种细胞应激因子激活，如ROS、紫外（UV）光、热应激和机械扰动
来自这些激酶的信号传导决定了不同的细胞结果，包括细胞周期停滞、细胞死亡、细胞分化、应激适应和炎症
p38和JNK在代谢调节中的强大作用不太为人所知，这些作用已在广泛的条件性基因敲除（KO）小鼠模型中得到证实
这些研究表明JNK激酶参与调节组织特异性和全身胰岛素敏感性、肝脏脂质沉积和脂肪因子的产生等
在其代谢调节的许多作用中，p38调节B细胞存活和脂肪组织中的关键过程，如产热和脂解
p38和JNK的激活与肥胖和代谢综合征有关，靶向这些激酶或其信号通路的非必需组分已被提议作为治疗或预防这些代谢疾病的治疗方法
JNK缺失小鼠对高脂饮食诱导的胰岛素抵抗和肝脂肪变性的保护作用表明MAP激酶信号通路是代谢灵活性的关键调节剂和代谢下降的驱动因素
MAP激酶通过涉及上游MAP激酶激酶（MAP 2Ks）和MAP激酶（MAP 3 Ks）的信号转导级联激活
这些组件的最上游是MAP 3 K，是一组由21种人类激酶组成的组，我们只知道其中少数的激活机制和信号
最近热门的一种MAP 3 K是ZAKa，它与核糖体相互作用，是翻译损伤的传感器
ZAKa通过两个C-末端核糖体结合结构域与核糖体结合，并通过干扰如核糖体的停滞和/或碰撞而被激活，这种监测核糖体功能并将核糖体畸变转化为p38和JNK激活的途径称为核糖毒性应激反应（RSR） :red_flag:
核糖毒性应激反应（RSR）
关于RSR功能的知识已经在哺乳动物细胞系中收集，所述细胞系用诸如核糖毒素酶（包括蓖麻毒素、滋贺毒素和α-八叠球菌毒素，所有这些都与人类毒素具有病理学相关性）、抗生素（包括茴香霉素和放线菌酮）或UV照射的处理，其分别损伤或化学抑制核糖体或损伤mRNA模板
ROS是ZAKa和下游RSR信号的强有力的激活剂，并且ROS产生的致肥胖饮食与小鼠肝脏中改变的核糖体延伸动力学有关
在肥胖和衰老的背景下，RSR途径介导众所周知但不必要的代谢转换，如葡萄糖耐量失调和肝脏脂肪变性
该文章提供了通过MAP激酶信号传导进行代谢调节的机制性见解，指出核糖体是迄今为止未被重视的代谢应激传感器
1.ROS抑制蛋白质合成并激活RSR
氧化应激和ROS都抑制翻译，并导致p38和JNK的激活
图A 研究人员使用了二氢醌 (menadione) 来激活 p38 信号通路，并探究其机制。二氢醌是一种维生素 K 衍生物，它可以通过一种无效的氧化还原循环在细胞内产生超氧阴离子 (superoxide radical)。
图B 使用 ZAKa 激酶抑制剂或 CRISPR 技术敲除 Zak 基因，都可以完全阻断二氢醌处理导致的 p38 激酶的磷酸化。这表明 ZAKa 激酶是 p38 激酶激活的关键因子
图CD p38 激酶的激活需要 ZAKa 激酶的 a 型异构体，而 ZAKb 的 b 型异构体无法激活 p38 激酶。这表明 ZAKa 激酶的 ribosome 结合结构域是其激活 p38 激酶的关键
图G 说明这个作用是可逆的
图H-J ROS的这些作用并不局限于甲萘醌，因为我们发现能够产生自由基的化合物 β-大马士革酮 (β-lapachone) 和 金硫四环素 (auranofin)同样以ZAK依赖性和NAC可逆的方式减少核糖体输出并激活p38和JNK
2.活性氧在体内诱导核糖体停滞并在体外感染干扰翻译
为了了解ROS诱导RSR激活的机制，用微球菌核酸酶（MNase）消化多聚体，并进行 蔗糖密度梯度离心 分析细胞中的核糖体碰撞。用甲萘醌处理细胞后，未发现MNaser抗性多聚体峰的增加（图2A）
为了了解翻译过程中的哪些组分对ROS敏感，从HeLa细胞裂解液中建立了一个三方体外翻译系统，分为核糖体组分、细胞质组分和 mRNA 组分，从另一种培养物中分离含有tRNA的无核糖体细胞质部分，它们只有结合在一起才支持体外转录的荧光素酶编码mRNA的翻译（图2D)
由于停滞的核糖体仅在抑制ISR时转化为碰撞，所以在加入甲萘醌和β-拉帕醌30分钟后，用ISR抑制剂ISRIB处理细胞，刺激了低水平的核糖体碰撞（图2A）证明了ROS可以减慢或停滞核糖体
为了将氧化损伤引入体外翻译系统，每次用过氧化氢处理三种组分中的一种10分钟。随后用过氧化氢酶中和过氧化氢，然后确定荧光素酶蛋白的产量。发现过氧化氢处理并未损害核糖体或荧光素酶mRNA翻译的能力，细胞质部分对氧化损伤非常敏感（图2E）。
从甲萘醌和NAC处理的HeLa细胞中制备核糖体和细胞质组分（图2G）。结果表明，细胞质部分含有一种或多种ROS敏感成分（图2，H和I）
针对tRNA-Arg-TCT的Northern印迹结果显示了明显的降解，并能被NAC逆转（图2K）。证明ROS 对翻译的影响主要发生在细胞质组分，特别是 tRNA。
3.ZAKa和ASK 1是ROS诱导的p38和JNK激活的基础
图3A: p38活化以两个不同的波发生，一个在暴露后5分钟开始并在10至15分钟达到峰值，另一个在45分钟开始并在1至2小时达到峰值.
图3B ：ASK1是ROS激活的MAP3K，对氧化应激反应非常迅速，它在ROS产生后5分钟内就发挥作用；
随后激活ZAKa: ZAKa也是ROS激活的MAP3K，但它对氧化应激的响应稍慢一些。ZAKa主要作用于蛋白质损伤和核糖体功能障碍，并最终激活p38和JNK酶
5.ZAK−/−可以保护小鼠免受肥胖引起的代谢功能障碍的影响
血糖耐受性下降：在 WT 小鼠中，喂食 HFHS 导致血糖控制能力下降，在 8 周时明显，在 19 周时加剧（图4C）。相反，喂食 HFHS 的 ZAK-/- 小鼠则能很好地防止这种功能性代谢衰退，并且在8周时间点在ipGTT（口服葡萄糖耐量测试）中的表现与普通饲料喂养的小鼠相似（图4C，顶部与中部）。。与野生型小鼠相比，ZAK−/−小鼠在摄入高热量饮食后，血糖水平控制良好，表现出较低的血糖不耐受性。这表明ZAK基因的缺失能够减轻高热量饮食对血糖调节的影响。
胰岛素抵抗：ZAK−/−小鼠在摄入高热量饮食后，胰岛素抵抗程度较低，HOMA-IR指标仅为野生型小鼠的一半。这表明ZAK基因的缺失能够减轻高热量饮食对胰岛素敏感性的负面影响
肝脏脂肪变性：ZAK−/−小鼠在摄入高热量饮食后，肝脏甘油三酯含量约为野生型小鼠的一半，肝脏脂肪变性程度也较低。这表明ZAK基因的缺失能够减轻高热量饮食对肝脏脂肪积累的影响
4.ZAKa介导ROS诱导的斑马鱼幼鱼死亡
为了探索ROS诱导的RSR信号传导的生物后果，我们转向斑马鱼作为模型生物
斑马鱼幼虫暴露于 ROS 生成剂（如甲萘醌）后，会出现多种发育缺陷，例如卵黄囊和心脏水肿、脊柱或尾巴弯曲、长度减少等，并最终导致大量幼虫死亡。
这些病理现象可以通过预先添加 NAC（一种 ROS 清除剂）或敲除 zaka 基因来预防，表明 ROS 诱导的 RSR 信号通路参与了这些现象的发生
zaka 敲除的斑马鱼幼虫对 ROS 诱导的病理现象和死亡具有强大的抵抗力，这进一步证明了 ZAKa 在 ROS 诱导的细胞死亡中的作用
6.磷酸化蛋白质组学分析揭示ZAK−/− HFHS喂养小鼠肝脏中MAPK信号转导失调
磷酸化蛋白质组学分析显示，与野生型小鼠相比，ZAKα 基因敲除小鼠的肝脏中 p-JNK2 的激活相关磷酸化水平降低
虽然磷酸化蛋白质组学结果显示 p-JNK2 磷酸化水平降低，但蛋白质印迹分析并未发现 HFHS 饮食诱导的 JNK 磷酸化在 ZAKα 基因敲除小鼠中降低
可能是由于实验样本量较小，导致结果差异不明显；所以表明，ZAKα 基因敲除小鼠的肝脏中 JNK 信号通路可能存在调节异常
7.ZAK−/−小鼠在衰老过程中免受代谢下降的影响
血糖控制能力更强： 老年野生型小鼠在口服葡萄糖耐量试验中表现出明显的血糖控制能力下降，而ZAK-/-老年小鼠的血糖控制能力与年轻小鼠相似，说明ZAK基因缺失可以保护小鼠免受衰老导致的血糖控制能力下降
胰岛素敏感性更高： 老年野生型小鼠的空腹血糖、空腹胰岛素水平以及胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）均高于ZAK-/-小鼠，说明ZAK基因缺失可以保护小鼠免受衰老导致的胰岛素抵抗。
肝脏脂肪变性程度更轻： 老年野生型小鼠肝脏中脂肪变性程度较重，而ZAK-/-小鼠肝脏脂肪变性程度较轻，说明ZAK基因缺失可以保护小鼠免受衰老导致的肝脏脂肪变性。（G图是肝脂肪变性等级）
棕色脂肪组织结构功能受损程度更轻： 老年野生型小鼠棕色脂肪组织结构功能受损程度较重，而ZAK-/-小鼠棕色脂肪组织结构功能受损程度较轻，说明ZAK基因缺失可以保护小鼠免受衰老导致的棕色脂肪组织功能下降
实验结论总结
活性氧 (ROS) 是翻译异常和 RSR 激活的生理相关来源。 ROS 会导致核糖体功能受损，进而激活 RSR 信号通路，最终导致 p38 和 JNK 激酶的活化。
RSR 通路在代谢调节中发挥作用。 在肥胖和衰老的动物模型中，RSR 通路介导了葡萄糖耐受性下降和肝脂肪变性等代谢异常。
ZAK-KO 小鼠对 ROS 诱导的代谢功能障碍具有抵抗力。 ZAK-KO 小鼠在高脂肪高糖 (HFHS) 饮食下喂养时，其葡萄糖耐受性下降和肝脂肪变性程度均低于野生型小鼠。
ZAK-KO 小鼠的衰老过程更为健康。 与老年野生型小鼠相比，老年 ZAK-KO 小鼠的胰岛素抵抗、肝脂肪变性和棕色脂肪组织 (BAT) 白化程度均有所减轻