中枢神经系统(CNS)主管感觉、运动、认知和情感等各种活动，维持CNS正常功能是实现健康老龄化的重要基础。衰老不仅是多种神经退行性疾病的最主要风险因素，也是健康衰老者认知能力下降的主要风险因素，后者被称为认知老年化，其产生的基础是脑衰老。目前有效延缓认知老年化的新策略依赖于新的脑衰老机制的发现。然而，迄今对脑衰老的机制知之甚少，对认知老年化的分子机制也不清楚，尤其是对CNS兴奋性神经元衰老的机制一无所知，是世界脑科学的难点问题之一。
2023年11月17日，浙江大学基础医学院与附属邵逸夫医院赵经纬教授团队，与复旦大学脑科学转化研究院舒友生教授及深圳华大生命科学研究院脑科学专项主任科学家韩磊博士等合作在Nature Communications在线发表题为“GDF11 slows excitatory neuronal senescence and brain ageing by repressing p21”的研究论文。生长分化因子11（GDF11）是TGF-β超家族成员之一，研究团队发现在中枢神经系统中，GDF11特异性高表达在兴奋性神经元。该论文采用GDF11敲除细胞系、GDF11条件性敲除小鼠及GDF11和p21双敲除小鼠，结合基因双向操控、膜片钳电生理记录、行为学测试、染色质免疫共沉淀、单细胞测序和电镜及免疫电镜等多种研究手段，首次报道GDF11在脑内兴奋性神经元中特异性高表达，兴奋性神经元内源性GDF11可以通过抑制p21延缓兴奋性神经元衰老和脑衰老、改善认知老年化、并维持小鼠寿命。该研究为开发延缓脑衰老、改善认知老年化和延长寿命的新干预方法提供了全新的思路，具有重要的潜在应用前景。
该研究首先确认了GDF11在中枢神经系统中特异性高表达在兴奋性神经元中，在小鼠、狨猴和人脑中呈高度保守性，并且GDF11在兴奋性神经元中的表达随自然衰老进程而降低。为探究兴奋性神经元中内源性GDF11与神经元衰老之间的关系，研究人员构建了GDF11f/f小鼠和CaMKIIα-Cre;GDF11f/f小鼠(简称：GDF11cKO，仅在兴奋性神经元中特异性敲除GDF11)，结果表明，全脑敲除兴奋性神经元中的GDF11加速了特定脑区（扣带回、岛叶和梨状皮层）的细胞衰老，主要衰老细胞是兴奋性神经元，并缩短了小鼠寿命，证明兴奋性神经元中的GDF11在脑衰老甚至全身衰老中发挥着至关重要的作用。体外实验中，研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建GDF11敲除的细胞系，结果发现敲除GDF11加快细胞衰老，在体和体外实验得到一致的结果。
为研究GDF11对兴奋性神经元功能的影响，研究人员通过在GDF11f/f小鼠的扣带回注射AAV CaMKIIα-Cre-P2A-EGFP病毒，以特异性敲除扣带回兴奋性神经元中的GDF11。膜片钳记录结果显示，敲除扣带回兴奋性神经元中的GDF11后，兴奋性神经元自身的兴奋性增强，其接收的抑制性输入减少，顶树突和树突棘削减。行为学测试揭示局部和全脑敲除兴奋性神经元中的GDF11减弱了小鼠的认知和记忆能力，表明兴奋性神经元中的GDF11参与维持正常认知功能。
图1 本研究示意图
为了解析GDF11维持兴奋性神经元年轻化的分子机制，研究人员通过单细胞核测序（snRNA-seq）和生信分析揭示，敲除GDF11影响衰老相关基因的表达和衰老相关的生物学过程，且显著上调促衰老关键因子p21。作者在GDF11和p21双敲除小鼠（CaMKIIα-Cre;GDF11f/f;p21小鼠）中进一步证实p21是GDF11缺失诱导的兴奋性神经元自身衰老所必需的。本研究清晰解析了其分子机制：GDF11敲除上调pSmad2和Smad3，促进Smad2结合在p21的启动子区并上调p21的表达，以诱导兴奋性神经元衰老。
图2 GDF11敲除上调pSmad2和Smad3，促进Smad2结合在p21的启动子区并上调p21的表达，以诱导兴奋性神经元衰老
该论文揭示了脑内兴奋性神经元内的GDF11可以通过抑制p21延缓兴奋性神经元衰老和脑衰老、改善认知老年化并延长小鼠寿命，为改善认知老年化和延长寿命设计新的干预策略提供了新思路。该论文揭示了脑内兴奋性神经元衰老的第一个分子机制。
浙江大学基础医学院与附属邵逸夫医院博士后王迪仙、浙江大学基础医学院博士研究生董昭君和复旦大学脑科学转化研究院博士后邓穗馨为本文共同第一作者。
赵经纬教授领导了这项研究，为论文的最后通讯作者，舒友生教授及韩磊研究员为共同通讯作者。研究获得“脑科学与类脑研究”重大项目、国家级重点项目、国家自然科学基金面上项目等资助。感谢浙江大学医学院罗建红教授、孙启明教授、高利霞教授和张兴教授、浙江大学生命科学学院周如鸿教授、浙江大学生命科学研究院郭行教授、上海交通大学系统生物医学研究院赵小东教授、浙江大学医学院附属第一医院詹仁雅教授等老师的大力支持。感谢浙江大学医学院公共技术平台方三华、杨丹等老师在荧光共聚焦成像、浙江大学冷冻电镜中心杨晨玉、郭建胜、杨平、韩琴等老师在电镜成像中提供的帮助。
课题组简介
赵经纬，浙江大学教授，博士生导师，浙江大学基础医学院与附属邵逸夫医院双聘教授，系统医学中心PI，浙江大学冷冻电镜中心副主任、浙江大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学系副主任。课题组致力于揭示脑老龄化的分子机制、探索促进神经干细胞增生及促进其朝向髓鞘形成细胞分化的新策略，期望能为延缓脑衰老和修复受损的髓鞘提供新思路。已发表代表性原著论文的SCI专业杂志包括《Cell Stem Cell》、《Nature Neuroscience》、《Nature Communications》、《Glia》、《Journal of Neuroscience》和《Critical Care Medicine》等。原著论文被引约3700次。在研项目包括科技部科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目“基于脑白质发育调控的脑智促进技术与策略”、国家级重点项目、国家自然科学基金面上项目等。欢迎新近或即将毕业的相关专业的博士生申请博士后！
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