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诱导神经元保留了与衰老相关的转录特征

浏览次数:647发布日期:2022-11-30 19:35

持续性衰老伴随人的整个生命周期,影响身体各组织机能,决定生命的质量和长度,且是许多疾病的主要致病因素。研究人员一直尝试体外培养人源神经元用以模拟人类神经元衰老过程,然而事实证明,利用分化的人源神经元建立衰老模型十分具有挑战性。

2015年,Mertens教授及其同事比较了人类成纤维细胞、诱导神经元(iNs)、诱导多能干细胞(iPSCs)、iPSC诱导神经元以及来自老年供体大脑样本的转录组,发现iNs保留了供体神经元的年龄特征,而iPSCs发生重置回到胚龄状态; 且RanBP17在细胞老化过程中表达持续下调,导致老化的神经元中NCC(nucleocytoplasmic compartmentalization)受到损伤。

与大多数其他类型的细胞不同,神经元主要在胚胎发育期间生成,是细胞老化的首要目标。通常情况下,渐进性衰老会导致神经元可塑性和认知能力下降。有趣的是,多种组织的转录图谱显示,不同组织中有相似的与年龄相关的变化,如应激反应、炎症反应和钙稳态调节等。 

研究人员利用外源性应激刺激iPSC诱导神经元,如兴奋性毒性、活性氧物种、衰老相关突变蛋白的过表达等,尝试诱导获得年龄相关的神经退化状态并进行建模。然而, 这种方法与固有的细胞衰老不同,选定的应激源仅模拟导致细胞老化的个别因素。利用iPSC诱导神经元来进行建模的过程,细胞需要经类似胚龄期的iPSCs状态,而iPSC重编程和分化过程所经历的多次细胞分裂稀释了累积的大分子损伤,导致细胞之前老化特征丧失。相比之下,iNs绕过iPSCs早期胚龄状态,直接转分化可获得保留年龄特征的神经元。

iNs是皮肤成纤维细胞直接转分化获得,不经过稀释大分子损伤修复诱导因素的细胞分裂过程,被转化为神经元保存了原成纤维细胞中的衰老表型。iNs与衰老大脑在转录组保持一致, iNs中衰老相关基因表达差异体现了对突触功能、投射发育和钙离子稳态等与年龄相关的调节差异。

    图片来源于《Directly Reprogrammed Human Neurons Retain Aging-Associated Transcriptomic Signaturesand Reveal Age-Related Nucleocytoplasmic Defects》

成纤维细胞向神经元的转变过程中细胞年龄特征是如何保留的呢?研究人员解释:其一,在直接转分化过程中,细胞老化过程中的大分子损伤被保留了下来;其二,细胞老化过程中只有一小部分是老化调节基因。实验过程中对这些基因进行干扰,会损害关键下游通路。

研究人员通过研究正常的人类成纤维细胞、iNs和皮质神经元发现,RanBP17的表达随着年龄的增长而显著下调。基于1,200+样本的多个相互独立的GDAC分析进一步证实了该结果。此外,研究还发现RanBP17是人类胶质母细胞瘤、肾脏和甲状腺癌中最显著的年龄调控基因之一。另一项对14个基因研究结果表明,RanBP17在三个独立的基因表达平台上都显示出显著的年龄相关性以及与年龄相关的差异表达。然而,渐进性衰老如何影响RanBP17表达、RanBP17表达下调以及如何干扰NCC仍有待探索。   

识别NCC在衰老中的损伤对研究细胞衰老相关的核完整性具有重要意义。例如,FOX03基因遗传多态性与人类寿命有关,FOX03蛋白介导氧化防御和细胞生存,其活性受到NLS和NES序列的调节,可能是老年细胞受损NCC的潜在下游效应因子。同样,REST是老年大脑中一种重要的神经保护因子,当REST表达下调时,可能导致神经变性。此外,与损伤诱导和钙离子介导相关的HDAC5从细胞核输出对于周围神经的再生十分重要;核转运受体β在将含有NLS的损伤信号从受损轴突传递回细胞核中发挥作用。结合数据发现,NCC损伤可能是老年大脑中与年龄相关的神经元功能丧失和应激抵抗的关键过程。研究人员表示,鉴于RanBP17的减少出现在不同的组织中,NCC缺陷也可能存在于其他老化的细胞类型中,进而导致不同器官中一系列的变化,包括年龄相关的表型,年龄相关性NCC损伤和潜在的下游效应的功能关系,这些变化的具体原因仍需要进一步的研究验证。

总体而言,研究人员基于iPSC重编程技术和直接转分化技术,从不同年龄的人类供体获得神经元。对比研究发现,与iPSCs和iPSC诱导神经元不同, iNs可以模拟人类衰老,从而保留与供体年龄相关的转录特征。对比老化的成纤维细胞、iNs和衰老的人类皮质神经元的转录组图谱发现,核孔相关运输蛋白RanBP17是细胞衰老的一个重要体现,它伴随着不同体细胞类型NCC损伤,包括神经元。其中成纤维细胞和对应的iNs均检测到与年龄相关的NCC损伤,而且降低RanBP17导致年轻细胞的NCC损伤,而iPSC胚胎状态则恢复了老化细胞的NCC损伤。这些结果表明,iNs保留了与衰老相关的重要信号,是衰老神经元模型。

 

宁波易赛腾生物科技有限公司    李福云编译

原文链接:

Directly Reprogrammed Human Neurons Retain Aging-Associated Transcriptomic Signatures and Reveal Age-Related Nucleocytoplasmic Defects - PubMed (nih.gov)