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衰老相关认知功能新研究，插图来源网络 2023年5月5日加州大学伯克利分校营养科学与毒理学系Danica Chen团队在Cell Metabolism发表论文“The mitochondrial unfolded protein response regulates hippocampal neural stem cell aging”，揭示了线粒体未折叠蛋白反应介导海马神经干细胞衰老过程。
海马齿状回是编码学习、记忆和空间信息的关键脑区，在整个生命进程中齿状回亚颗粒区神经干细胞(NSCs)在产生新的颗粒细胞。衰老会导致认知功能下降，证据表明出现以证明患有多种神经退行性疾病的患者海马体中的成人神经发生受到破坏障碍。在该研究中，年轻和年老小鼠齿状回的单细胞 RNA测序表明线粒体蛋白折叠应激在激活的NSCs/神经祖细胞 (NPCs)中很突出神经源性生态位，随着细胞周期和线粒体活动失调的衰老而增加在齿状回中激活的NSC/NPC中。增加线粒体蛋白质折叠应激导致损害NSC的维护并减少齿状回的神经发生、神经活动过度和认知功能受损。降低老龄小鼠齿状回的线粒体蛋白折叠应激改善神经发生和认知功能。这些结果建立了线粒体蛋白质折叠压力作为NSC衰老的驱动因素，并提出改善与衰老相关的认知能力下降的方法。单细胞RNA测序以揭示随着衰老激活的神经干细胞中线粒体未折叠蛋白反应的升高。SIRT7对线粒体蛋白折叠应激的抑制确保了海马神经干细胞的维持并防止神经过度活跃和认知能力下降。这项研究揭示了神经干细胞衰老的机制，并提出了改善与衰老相关的认知能力下降的方法。
图1 衰老导致齿状回激活的NSC/NPC中线粒体和细胞周期基因表达增加 作者对年轻（3个月大）和年老（16个月大）小鼠的齿状回进行了单细胞RNA测序，以发现与衰老相关的变化。使用均匀流形近似和投影(UMAP，单细胞数据降维可视化最新工具）对单细胞转录组的分析揭示了齿状回中的10种不同的细胞类型。这些簇根据其标记基因被鉴定为齿状回中的已知细胞类型：星形胶质细胞/静止神经干细胞、活化的神经干细胞/ NPC、成神经细胞、神经元、少突胶质细胞祖细胞(OPC)、髓鞘形成少突胶质细胞(MFOL)、内皮细胞、周细胞、小胶质细胞和造血细胞。通过标记基因的通路分析进一步验证细胞簇的身份，以反映相应细胞类型的既定生物学功能。星形胶质细胞/静止的NSCs富含葡萄糖和脂质代谢基因，而活化的NSCs/NPCs富含与基因表达、细胞周期、翻译和氧化磷酸化相关的基因。细胞周期基因和线粒体基因在随着衰老而激活的NSCs/NPCs中最上调的基因中占据突出地位。通路分析进一步证实，细胞周期基因在激活的NSCs/NPCs中发生了明显改变。不受控制的线粒体活动和细胞周期可能是与衰老相关的齿状回中活化的NSC/NPC下降的基础。齿状回 NSC激活和老化过程中线粒体蛋白折叠应力增加。
图2 齿状回NSC激活和老化过程中线粒体蛋白折叠应力增加 作者接下来对3月龄和16月龄小鼠海马齿状回组织进行单细胞测序发现在老年小鼠激活的NSCs细胞周期和线粒体相关的基因表达明显增加，其中在所有细胞亚群中激活的NSCs线粒体伴侣蛋白HSP60表达增加较为显著。进一步分子实验发现未折叠应激反应转录因子REST及其下游效应物Foxo1a在老年小鼠激活态NSCs表达也增加，这些结果表明衰老促进海马齿状回组织线粒体折叠蛋白应激反应增强。
图3 SIRT7抑制线粒体蛋白折叠应激，促进NSC维持和认知 作者对3至5个月大的SIRT7−/−小鼠进行了表征，以了解与齿状回神经源性生态位相关的分子和细胞变化。在SIRT7−/−/小鼠的齿状回中，HSP60阳性激活的 NSCs而非静止的NSCs/星形胶质细胞的频率增加。Sox2-阳性细胞和BrdU阳性细胞的数量在SIRT7−/−小鼠的齿状回中均减少。SIRT7 −/−小鼠还表现出齿状回中新分化的双皮质素（Dcx）阳性神经元数量减少。BrdU标记测定显示在注射BrdU 后4周，SIRT7−/−/小鼠齿状回中长期BrdU保留细胞的数量减少齿状回。神经发生减少导致认知能力下降。在Morris水迷宫测试中，3个月大的SIRT7−/−/小鼠表现出明显的记忆缺陷，这表现为在探针测试期间与WT对照小鼠相比，到达平台的延迟时间更长。此外，虽然WT小鼠在目标象限中花费的时间明显多于在非目标象限中，SIRT7−/−小鼠没有表现出对目标象限的偏好。这些数据表明SIRT7 缺失不会导致探索和运动活动的缺陷，但会导致减少认知功能。
图4 老年小鼠海马脑区神经元活性显著增加 SIRT7是线粒体蛋白折叠应激反应的组蛋白去乙酰化酶，表达在成年小鼠激活态NSCs，但在老年小鼠中几乎不表达。作者发现3月龄成年SIRT7敲除小鼠中海马HSP60阳性NSCs数量显著增加，新生鼠的未成熟神经元数量减少，并表现出严重的空间认知功能障碍。双光子钙成像技术发现与年轻成年小鼠相比，老年小鼠海马脑区神经元活性显著增加。与WT小鼠相比，4月龄SIRT7敲除小鼠海马脑区也存在神经元活性增加，这些结果表明SIRT7抑制神经元活性。
图5 SIRT7抑制神经过度活跃 成年鼠的神经元通过募集局部中间神经元抑制齿状回网络活动，且神经元的消除导致齿状回的神经活动增加。SIRT7−/−小鼠齿状回神经发生减少表明SIRT7 缺乏可能导致神经活动过度。双光子成像结果显示SIRT7 /小鼠的齿状回和CA1的神经活动显著增加，成年鼠的神经元通过募集局部中间神经元抑制齿状回网络活动，且成年鼠的神经元的消除导致齿状回的神经活动增加。SIRT7−/−/小鼠齿状回神经发生减少表明SIRT7 缺乏可能导致神经活动过度。结果显示4至6个月的SIRT7−/−小鼠的齿状回和CA1的神经活动显著增加，以上结果表明SIRT7抑制神经元活动。
图6 SIRT7通过抑制线粒体蛋白折叠应激促进NSC维持 SIRT7通过抑制转录因子 NRF1的活性抑制线粒体蛋白折叠应激。病毒注射后 8 周进行分析，HSP60的免疫染色表明NRF1失活降低了 SIRT7−/−小鼠活化的NSC中的线粒体蛋白折叠应激。NRF1失活还增加了SIRT7−/−小鼠齿状回中 Sox2 阳性细胞、长期BrdU保留细胞和新分化的Dcx阳性神经元的数量。总之，这些数据表明SIRT7通过抑制线粒体蛋白折叠应激来促进NSC的维持和神经发生。
图7 过表达SIRT7改善衰老引起的神经发生和认知功能障碍 作者最后想明确SIRT7的过度表达和减少老化大脑齿状回中的线粒体蛋白折叠应力是否可以改善NSC的维持、神经发生和认知。通过病毒特异性敲低海马组NRF1表达后能够明显减弱敲除SIRT7引起海马组织的线粒体蛋白折叠应激反应，并缓解成年神经再生障碍。10月龄野生型小鼠海马组织注射过表达SIRT7的病毒载体后，能够促进新分化形成的神经元，并能够改善老年小鼠空间认知学习障碍，表明过表达SIRT7改善衰老引起的神经发生和认知功能障碍。 综上所述，在衰老进程中海马齿状回激活态神经干细胞的线粒体蛋白折叠应激反应增强，最终引起神经发生障碍和认知功能障碍，减弱这种线粒体应激反应后可明显改善相关障碍。该研究扩展了SIRT7其他的生理功能：除了防止认知老化，SIRT7还能延长寿命，预防脂肪肝、造血干细胞老化、听力下降、运动不耐受、骨质减少和心功能不全；并促进头发生长。这些发现支持SIRT7作为改善健康寿命的目标以及SIRT7激活剂的治疗潜力。 文章来源 https:///10.1016/j.cmet.2023.04.012 |
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