原创│Science: 斯坦福大学科学家发现衰老导致静止性神经干细胞丧失活力的原因

发布日期2018-03-26 18:07 来源:本站

提要 不可降解的蛋白毒物积累是衰老的特征之一,其原因是细胞自噬等蛋白清除机制的失调所致。上周出版的“科学”杂志报道:美国斯坦福大学教授Anne Brunet团队发现:衰老导致静止性神经干细胞溶酶体清除蛋白聚合物的能力明显降低。


细胞自噬活力降低导致衰老

在人体内,有二类重要的细胞:神经细胞和心肌细胞,出生后就不能增殖。虽然在成人的大脑或心脏中也发现了少量的干细胞,但神经细胞和心脏细胞出生后必须分化、特化,产生多种有利于与外界进行信息和功能交流的变化,维持人体的多种功能。这些细胞如何衰老的?目前并没有明确的研究结论。从一些研究结果看,细胞自噬活力,尤其是线粒体自噬活力的逐步丧失,是导致神经元(神经细胞)、心肌细胞衰老和死亡的原因,其结果导致神经退行性疾病,心脏相关疾病。

          除此之外,大脑中存在的干细胞丧失增殖能力,无法补充死亡的细胞也可能是发生神经退行性疾病的原因。在人体内,神经干细胞一般处于不增殖的状态,称为静止性神经干细胞(quiescentneural stem cells, qNSC)。在衰老过程中,神经干细胞发生哪些变化?一直来未知。美国斯坦福大学教授、衰老研究牛人Anne Brunet研究团队,在上周出版的“Science”杂志发表研究结果(Leeman DS, et al. Lysosome activation clears aggregates and enhances quiescent neural stem cell activation during aging. Science 2018; 359: 1277-1283:发现小鼠体内,衰老导致静止性神经干细胞清除蛋白聚合物的能力降低,而丧失活化能力。

研究总体思路

为了确定神经干细胞在衰老中的变化,作者使用GFAP基因启动子携带绿色荧光蛋白(GFP)的转基因小鼠,该基因只在星形胶质细胞和神经干细胞中表达。从小鼠脑室下区(subventricular  zone, SVZ)分离细胞,这是神经干细胞巢区,使用流式细胞仪,根据特异的生物标志物分离了5种不同类型的细胞(见下图),然后对这些细胞进行RNA测序,比较静止和活化的干细胞基因表达的差异。根据表达差异结果,对溶酶体及其相关的信号通路进行了深入研究,比较3-4个月龄的年轻小鼠与老年小鼠(19-22月龄)静止神经干细胞的差异及相关机制。


年轻的静止性干细胞含有大体积、多聚合物的溶酶体

通过对年轻小鼠中分离的神经干细胞进行RNA测序,比较静止性神经干细胞(qNSC)与活化的神经干细胞(aNSC)的表达差异,发现在溶酶体、蛋白酶体和伴侣蛋白基因表达存在明显的不同(见下图),说明这些细胞在蛋白稳态调节方面存在明显的区别。

使用荧光显微镜比较这些细胞的形态差异,观察到qNSC细胞中存在大量囊泡状的颗粒,通过溶酶体特异标记蛋白LAMP-1和荧光标记LysoTracker,可以确定这些颗粒是溶酶体。


     通过蛋白标记物可以发现,qNSC中含有大量的蛋白聚合物。干细胞活化后,这些聚合物消失。使用生长因子EGFbFGF处理qNSC,可以转变为活化的干细胞(aNSC),溶酶体中的蛋白聚合物明显减少,而溶酶体特异的抑制剂巴佛如霉素(bafilomycin A)能抑制干细胞活化,说明该活化机制是溶酶体特异的。


衰老的qNSC含有更大量的蛋白聚合物

比较从老年小鼠和年轻小鼠大脑中分离的干细胞,发现老年的qNSC的溶酶体活性明显降低,蛋白聚合物明显升高(以GFP-LC3蛋白为标志,见下图),而活化的aNSC没有差异,说明溶酶体降解蛋白的能力降低是静止性神经干细胞不能活化的原因。

                  

  

为了更好地说明因衰老导致qNSC的活性降低,作者进行了恢复qNSC活性的实验。诱导溶酶体特异蛋白TFEB 表达小时,然后使用EGFbFGF处理3-4天,可以明显恢复细胞增殖(SEdU掺入作为标志,下图H)。另一个办法是对22月龄的老年小鼠处理,饲料中加入雷帕霉素(rapamycin),经过3个月后,也可以检测到老年小鼠大脑SVZ的活化神经干细胞明显增多。说明该两种办法均能恢复衰老的静止期神经干细胞的活力。


研究意义

该研究通过溶酶体蛋白聚合物的变化,为区别衰老和年轻的神经干细胞,提供了可靠的方法和生物标志物。鉴于溶酶体是细胞自噬的重要执行者,再次证实了细胞自噬活力在衰老中的重要作用。同时,该研究为恢复老年期神经干细胞的活力提供了干预靶点及相关的信号通路。