持續(xù)性衰老伴隨人的整個(gè)生命周期，影響身體各組織機(jī)能，決定生命的質(zhì)量和長(zhǎng)度，且是許多疾病的主要致病因素。研究人員一直嘗試體外培養(yǎng)人源神經(jīng)元用以模擬人類神經(jīng)元衰老過程，然而事實(shí)證明，利用分化的人源神經(jīng)元建立衰老模型十分具有挑戰(zhàn)性。
2015年，Mertens教授及其同事比較了人類成纖維細(xì)胞、誘導(dǎo)神經(jīng)元（iNs）、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)、iPSC誘導(dǎo)神經(jīng)元以及來自老年供體大腦樣本的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)iNs保留了供體神經(jīng)元的年齡特征，而iPSCs發(fā)生重置回到胚齡狀態(tài)； 且RanBP17在細(xì)胞老化過程中表達(dá)持續(xù)下調(diào)，導(dǎo)致老化的神經(jīng)元中NCC（nucleocytoplasmic compartmentalization）受到損傷。
與大多數(shù)其他類型的細(xì)胞不同，神經(jīng)元主要在胚胎發(fā)育期間生成，是細(xì)胞老化的首要目標(biāo)。通常情況下，漸進(jìn)性衰老會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元可塑性和認(rèn)知能力下降。有趣的是，多種組織的轉(zhuǎn)錄圖譜顯示，不同組織中有相似的與年齡相關(guān)的變化，如應(yīng)激反應(yīng)、炎癥反應(yīng)和鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)等。
研究人員利用外源性應(yīng)激刺激iPSC誘導(dǎo)神經(jīng)元，如興奮性毒性、活性氧物種、衰老相關(guān)突變蛋白的過表達(dá)等，嘗試誘導(dǎo)獲得年齡相關(guān)的神經(jīng)退化狀態(tài)并進(jìn)行建模。然而, 這種方法與固有的細(xì)胞衰老不同，選定的應(yīng)激源僅模擬導(dǎo)致細(xì)胞老化的個(gè)別因素。利用iPSC誘導(dǎo)神經(jīng)元來進(jìn)行建模的過程，細(xì)胞需要經(jīng)類似胚齡期的iPSCs狀態(tài)，而iPSC重編程和分化過程所經(jīng)歷的多次細(xì)胞分裂稀釋了累積的大分子損傷，導(dǎo)致細(xì)胞之前老化特征喪失。相比之下，iNs繞過iPSCs早期胚齡狀態(tài)，直接轉(zhuǎn)分化可獲得保留年齡特征的神經(jīng)元。
iNs是皮膚成纖維細(xì)胞直接轉(zhuǎn)分化獲得，不經(jīng)過稀釋大分子損傷修復(fù)誘導(dǎo)因素的細(xì)胞分裂過程，被轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元保存了原成纖維細(xì)胞中的衰老表型。iNs與衰老大腦在轉(zhuǎn)錄組保持一致， iNs中衰老相關(guān)基因表達(dá)差異體現(xiàn)了對(duì)突觸功能、投射發(fā)育和鈣離子穩(wěn)態(tài)等與年齡相關(guān)的調(diào)節(jié)差異。
圖片來源于《Directly Reprogrammed Human Neurons Retain Aging-Associated Transcriptomic Signaturesand Reveal Age-Related Nucleocytoplasmic Defects》
成纖維細(xì)胞向神經(jīng)元的轉(zhuǎn)變過程中細(xì)胞年齡特征是如何保留的呢？研究人員解釋：其一，在直接轉(zhuǎn)分化過程中，細(xì)胞老化過程中的大分子損傷被保留了下來；其二，細(xì)胞老化過程中只有一小部分是老化調(diào)節(jié)基因。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)這些基因進(jìn)行干擾，會(huì)損害關(guān)鍵下游通路。
研究人員通過研究正常的人類成纖維細(xì)胞、iNs和皮質(zhì)神經(jīng)元發(fā)現(xiàn)，RanBP17的表達(dá)隨著年齡的增長(zhǎng)而顯著下調(diào)?；?,200+樣本的多個(gè)相互獨(dú)立的GDAC分析進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)果。此外，研究還發(fā)現(xiàn)RanBP17是人類膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、腎臟和甲狀腺癌中最顯著的年齡調(diào)控基因之一。另一項(xiàng)對(duì)14個(gè)基因研究結(jié)果表明，RanBP17在三個(gè)獨(dú)立的基因表達(dá)平臺(tái)上都顯示出顯著的年齡相關(guān)性以及與年齡相關(guān)的差異表達(dá)。然而，漸進(jìn)性衰老如何影響RanBP17表達(dá)、RanBP17表達(dá)下調(diào)以及如何干擾NCC仍有待探索。
識(shí)別NCC在衰老中的損傷對(duì)研究細(xì)胞衰老相關(guān)的核完整性具有重要意義。例如，F(xiàn)OX03基因遺傳多態(tài)性與人類壽命有關(guān)，F(xiàn)OX03蛋白介導(dǎo)氧化防御和細(xì)胞生存，其活性受到NLS和NES序列的調(diào)節(jié)，可能是老年細(xì)胞受損NCC的潛在下游效應(yīng)因子。同樣，REST是老年大腦中一種重要的神經(jīng)保護(hù)因子，當(dāng)REST表達(dá)下調(diào)時(shí)，可能導(dǎo)致神經(jīng)變性。此外，與損傷誘導(dǎo)和鈣離子介導(dǎo)相關(guān)的HDAC5從細(xì)胞核輸出對(duì)于周圍神經(jīng)的再生十分重要；核轉(zhuǎn)運(yùn)受體β在將含有NLS的損傷信號(hào)從受損軸突傳遞回細(xì)胞核中發(fā)揮作用。結(jié)合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，NCC損傷可能是老年大腦中與年齡相關(guān)的神經(jīng)元功能喪失和應(yīng)激抵抗的關(guān)鍵過程。研究人員表示，鑒于RanBP17的減少出現(xiàn)在不同的組織中，NCC缺陷也可能存在于其他老化的細(xì)胞類型中，進(jìn)而導(dǎo)致不同器官中一系列的變化，包括年齡相關(guān)的表型，年齡相關(guān)性NCC損傷和潛在的下游效應(yīng)的功能關(guān)系，這些變化的具體原因仍需要進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。
總體而言，研究人員基于iPSC重編程技術(shù)和直接轉(zhuǎn)分化技術(shù)，從不同年齡的人類供體獲得神經(jīng)元。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，與iPSCs和iPSC誘導(dǎo)神經(jīng)元不同， iNs可以模擬人類衰老，從而保留與供體年齡相關(guān)的轉(zhuǎn)錄特征。對(duì)比老化的成纖維細(xì)胞、iNs和衰老的人類皮質(zhì)神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄組圖譜發(fā)現(xiàn)，核孔相關(guān)運(yùn)輸?shù)鞍識(shí)anBP17是細(xì)胞衰老的一個(gè)重要體現(xiàn)，它伴隨著不同體細(xì)胞類型NCC損傷，包括神經(jīng)元。其中成纖維細(xì)胞和對(duì)應(yīng)的iNs均檢測(cè)到與年齡相關(guān)的NCC損傷，而且降低RanBP17導(dǎo)致年輕細(xì)胞的NCC損傷，而iPSC胚胎狀態(tài)則恢復(fù)了老化細(xì)胞的NCC損傷。這些結(jié)果表明，iNs保留了與衰老相關(guān)的重要信號(hào)，是衰老神經(jīng)元模型。
寧波易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
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