大脑和肌肉老得更快？科学家首次发现‘翻译错误’的器官差异

基本信息

英文标题：Translational error in mice increases with ageing in an organ-dependent manner

中文标题：小鼠翻译错误率随衰老增加且呈现器官依赖性

发表期刊：《Nature Communications》

影响因子：16.6

作者单位(前三位)：

Institut für Medizinische Mikrobiologie, Universität Zürich, Zürich, Switzerland(苏黎世大学医学微生物研究所)

Anatomisches Institut, Universität Zürich(苏黎世大学解剖研究所)

Institut für Bewegungswissenschaften und Sport, ETH Zürich, Zürich, Switzerland(苏黎世联邦理工学院运动科学与体育研究所)

作者信息(前三位)：

Erik C. Böttger

Harshitha Santhosh Kumar

Adrian Steiner

研究背景

蛋白质合成的准确性对维持生命至关重要，翻译错误(如氨基酸错误插入或终止密码子通读)是基因表达精准性的关键限制因素。早期研究因技术限制未能明确衰老是否导致翻译错误率上升，尤其是哺乳动物体内数据匮乏。本研究开发了新型双报告基因系统(Kat2-TGA-Fluc)，结合荧光和生物发光成像技术，首次在活体小鼠中动态监测终止密码子通读这一敏感翻译错误指标。研究聚焦于衰老过程中翻译错误是否具有器官特异性，并探讨其与蛋白质稳态失衡及衰老的潜在关联。

研究方法

研究通过基因编辑构建了携带Kat2-TGA-Fluc报告基因的Knock-in小鼠模型。报告基因由荧光蛋白Katushka25(Kat2)和萤火虫荧光素酶(Fluc)组成，中间插入含终止密码子TGA的链接序列。正常翻译时仅表达Kat2，终止密码子通读时则表达Kat2-Fluc融合蛋白。利用生物发光成像技术(IVIS系统)动态监测活体小鼠脑、肌肉和肝脏中Fluc活性，并通过离体器官成像、组织提取物分析及Western Blot验证结果。实验还结合遗传霉素(诱导翻译错误)和突变核糖体蛋白(RPS9 D95N)作为阳性对照，验证模型的敏感性。

实验结果

图1：双报告系统验证终止密码子通读的敏感性

本研究通过构建双荧光素酶报告系统(Rluc-Fluc和Kat2-TGA-Fluc)，在HEK293细胞中验证了终止密码子通读作为翻译错误敏感指标的可行性。结果显示，遗传霉素处理或RPS9 D95N突变可显著诱导TGA终止密码子通读(最高达7倍)，而TAG密码子通读敏感性较低(图1A-C)。Western Blot证实，通读后生成的Kat2-Fluc融合蛋白分子量与预期一致(图1F-G)。此实验确立了TGA通读作为检测翻译错误的最佳指标，并为后续小鼠模型提供了技术基础。

图2：转基因小鼠模型中遗传霉素诱导的翻译错误验证

通过小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)和胚胎干细胞(ES)验证了Kat2-TGA-Fluc报告基因的功能。遗传霉素处理显著诱导Fluc活性(图2A-B)，表明模型可敏感反映翻译错误。活体小鼠注射遗传霉素后，实时成像显示随时间推移Fluc/Kat2比值显著升高(图2C-D)，证实模型适用于动态监测体内翻译错误。实验还排除了性别对结果的干扰，为后续衰老研究提供了可靠工具。

图3：衰老小鼠脑与肌肉中翻译错误率显著升高

通过活体成像纵向监测6-15月龄小鼠发现：

视网膜与后肢肌肉：Fluc/Kat2比值随年龄增长显著上升(15月龄较6月龄增加40-45%);

肝脏：无年龄相关性变化(图3A)。

成像信号的空间分布(图3B)显示，脑部信号通过视网膜代偿性检测，而肝脏信号可能受邻近组织干扰。此结果首次在活体中揭示了翻译错误的器官特异性衰老模式。

图4：离体器官成像与组织提取物分析

对3月龄与18月龄小鼠的离体器官(脑、肌肉、肝脏)进行成像及组织提取物检测。结果显示：

脑：18月龄Fluc活性显著升高(p = 0.026)，Fluc/Kat2比值增加50%;

肌肉：Kat2表达下降但Fluc/Kat2比值升高75%(p = 0.0008);

肝脏：无显著变化(图4A-C)。

Western Blot进一步证实肌肉中Kat2蛋白水平随年龄下降(Suppl. Fig. 5C)，支持翻译错误率升高的结论。

图5：组织提取物中翻译错误的定量分析

通过组织裂解液测定脑、肌肉和肝脏的Fluc与Kat2活性，量化翻译错误率。结果显示：

脑：18月龄Fluc/Kat2比值较3月龄增加50%(p = 0.0075);

肌肉：比值增加75%(p = 0.0008);

肝脏：无变化(图5A-D)。

数据与离体成像结果一致，表明翻译错误在衰老过程中具有器官特异性，且与蛋白质稳态失衡相关。研究还提出，翻译错误可能通过累积错误折叠蛋白加速衰老进程。

研究结论

研究发现，小鼠衰老过程中终止密码子通读率呈器官依赖性升高：

肌肉：15月龄小鼠通读率较6月龄增加75%(p < 0.001);

脑：18月龄较3月龄增加50%(p < 0.01);

肝脏：无显著变化(p > 0.5)。

通过离体组织分析及组织提取物检测进一步验证了结果。此外，研究显示翻译错误率升高与衰老相关蛋白质稳态崩溃(如蛋白质错误折叠)密切相关，支持翻译错误是衰老的重要驱动因素。