持續性衰老伴隨人的整個(gè)生命周期，影響身體各組織機能，決定生命的質(zhì)量和長(cháng)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人源神經(jīng)元用以模擬人類(lèi)神經(jīng)元衰老過(guò)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性。
2015年，Mertens教授及其同事比較了人類(lèi)成纖維細胞、誘導神經(jīng)元（iNs）、誘導多能干細胞(iPSCs)、iPSC誘導神經(jīng)元以及來(lái)自老年供體大腦樣本的轉錄組，發(fā)現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在細胞老化過(guò)程中表達持續下調，導致老化的神經(jīng)元中NCC（nucleocytoplasmic compartmentalization）受到損傷。
與大多數其他類(lèi)型的細胞不同，神經(jīng)元主要在胚胎發(fā)育期間生成，是細胞老化的首要目標。通常情況下，漸進(jìn)性衰老會(huì )導致神經(jīng)元可塑性和認知能力下降。有趣的是，多種組織的轉錄圖譜顯示，不同組織中有相似的與年齡相關(guān)的變化，如應激反應、炎癥反應和鈣穩態(tài)調節等。
研究人員利用外源性應激刺激iPSC誘導神經(jīng)元，如興奮性毒性、活性氧物種、衰老相關(guān)突變蛋白的過(guò)表達等，嘗試誘導獲得年齡相關(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胞衰老不同，選定的應激源僅模擬導致細胞老化的個(gè)別因素。利用iPSC誘導神經(jīng)元來(lái)進(jìn)行建模的過(guò)程，細胞需要經(jīng)類(lèi)似胚齡期的iPSCs狀態(tài)，而iPSC重編程和分化過(guò)程所經(jīng)歷的多次細胞分裂稀釋了累積的大分子損傷，導致細胞之前老化特征喪失。相比之下，iNs繞過(guò)iPSCs早期胚齡狀態(tài)，直接轉分化可獲得保留年齡特征的神經(jīng)元。
iNs是皮膚成纖維細胞直接轉分化獲得，不經(jīng)過(guò)稀釋大分子損傷修復誘導因素的細胞分裂過(guò)程，被轉化為神經(jīng)元保存了原成纖維細胞中的衰老表型。iNs與衰老大腦在轉錄組保持一致， iNs中衰老相關(guān)基因表達差異體現了對突觸功能、投射發(fā)育和鈣離子穩態(tài)等與年齡相關(guān)的調節差異。
圖片來(lái)源于《Directly Reprogrammed Human Neurons Retain Aging-Associated Transcriptomic Signaturesand Reveal Age-Related Nucleocytoplasmic Defects》
成纖維細胞向神經(jīng)元的轉變過(guò)程中細胞年齡特征是如何保留的呢？研究人員解釋?zhuān)浩湟?，在直接轉分化過(guò)程中，細胞老化過(guò)程中的大分子損傷被保留了下來(lái)；其二，細胞老化過(guò)程中只有一小部分是老化調節基因。實(shí)驗過(guò)程中對這些基因進(jìn)行干擾，會(huì )損害關(guān)鍵下游通路。
研究人員通過(guò)研究正常的人類(lèi)成纖維細胞、iNs和皮質(zhì)神經(jīng)元發(fā)現，RanBP17的表達隨著(zhù)年齡的增長(cháng)而顯著(zhù)下調?；?,200+樣本的多個(gè)相互獨立的GDAC分析進(jìn)一步證實(shí)了該結果。此外，研究還發(fā)現RanBP17是人類(lèi)膠質(zhì)母細胞瘤、腎臟和甲狀腺癌中最顯著(zhù)的年齡調控基因之一。另一項對14個(gè)基因研究結果表明，RanBP17在三個(gè)獨立的基因表達平臺上都顯示出顯著(zhù)的年齡相關(guān)性以及與年齡相關(guān)的差異表達。然而，漸進(jìn)性衰老如何影響RanBP17表達、RanBP17表達下調以及如何干擾NCC仍有待探索。
識別NCC在衰老中的損傷對研究細胞衰老相關(guān)的核完整性具有重要意義。例如，FOX03基因遺傳多態(tài)性與人類(lèi)壽命有關(guān)，FOX03蛋白介導氧化防御和細胞生存，其活性受到NLS和NES序列的調節，可能是老年細胞受損NCC的潛在下游效應因子。同樣，REST是老年大腦中一種重要的神經(jīng)保護因子，當REST表達下調時(shí)，可能導致神經(jīng)變性。此外，與損傷誘導和鈣離子介導相關(guān)的HDAC5從細胞核輸出對于周?chē)窠?jīng)的再生十分重要；核轉運受體β在將含有NLS的損傷信號從受損軸突傳遞回細胞核中發(fā)揮作用。結合數據發(fā)現，NCC損傷可能是老年大腦中與年齡相關(guān)的神經(jīng)元功能喪失和應激抵抗的關(guān)鍵過(guò)程。研究人員表示，鑒于RanBP17的減少出現在不同的組織中，NCC缺陷也可能存在于其他老化的細胞類(lèi)型中，進(jìn)而導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)一步的研究驗證。
總體而言，研究人員基于iPSC重編程技術(shù)和直接轉分化技術(shù)，從不同年齡的人類(lèi)供體獲得神經(jīng)元。對比研究發(fā)現，與iPSCs和iPSC誘導神經(jīng)元不同， iNs可以模擬人類(lèi)衰老，從而保留與供體年齡相關(guān)的轉錄特征。對比老化的成纖維細胞、iNs和衰老的人類(lèi)皮質(zhì)神經(jīng)元的轉錄組圖譜發(fā)現，核孔相關(guān)運輸蛋白RanBP17是細胞衰老的一個(gè)重要體現，它伴隨著(zhù)不同體細胞類(lèi)型NCC損傷，包括神經(jīng)元。其中成纖維細胞和對應的iNs均檢測到與年齡相關(guān)的NCC損傷，而且降低RanBP17導致年輕細胞的NCC損傷，而iPSC胚胎狀態(tài)則恢復了老化細胞的NCC損傷。這些結果表明，iNs保留了與衰老相關(guān)的重要信號，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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