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神经干细胞

同济大学等成功制备神经干细胞衰老模型

衰老是指随时间推移身体组织的机能下降,经常引起衰老相关的退行性疾病,例如:三篇论文深入了解衰老带来的神经元变化。越来越多证据表明,神经干细胞的衰老,对于中枢神经细胞衰老非常重要。然而,其根本分子机制的阐述却因为缺乏合适的衰老模型而受阻。

2014年3月13日,来自同济大学、南通大学、清华大学和英国谢菲尔德大学的研究人员,在《Nature》属下权威医学生命科学期刊《Cell Death and Disease》发表的一项研究中,成功制备了一种细胞衰老模型,可广泛应用于神经干细胞衰老和老化的分子探索。 文章的通讯作者包括同济大学医学院的梁爱斌、高正良和徐俊。

衰老的特点是成人组织在生理和功能方面的逐渐衰弱,体现在九个共同的特征:基因组不稳定,端粒耗损,表观改变,蛋白质内稳态缺失,营养感应失调,线粒体功能障碍,细胞衰老,干细胞耗损和细胞间通讯改变。在细胞水平上,这些年龄依赖性退化可能是由细胞大分子(包括蛋白质、RNA和DNA)的破坏和侵蚀引起,通常是细胞压力和环境刺激的结果。其中,DNA损伤自然增长和DNA修复不足,通常伴有氧化应激和线粒体功能障碍,是引起细胞衰老和老化的一个主要因素。相反,DNA修复途径可通过保持基因组完整性,来延缓细胞的衰老和老化。人类单基因早衰综合症(monogenic progeroid syndromes)几乎完全由DNA修复基因突变引起,缺乏DNA修复基因也能导致小鼠模型的过早衰老,这最好地说明了DNA损伤控制在衰老过程中的根本重要性。

DNA损伤的积累,也可能是驱动常驻(resident)干细胞衰老和最终衰竭的主要力量。小鼠模型中具有DNA修复途径组分的遗传病变,通过各种机制,能够深刻影响常驻干细胞的完整性。例如,在衰老的造血干细胞(HSCs)中积累的DNA损伤,以及DNA损伤修复途径中的缺陷,可引起HSC不足和造血异常。此外,干细胞中的DNA病变可以将上述两种情况传播给子干细胞(daughter stem cells)和下游血统。因此,干细胞应对DNA损伤的能力,将对干细胞完整性及其后代具有深远的影响。

成人神经干细胞(NSCs)对于大脑内稳态必不可少,但是随着年龄的增长,会出现增殖下降和细胞衰老。增殖降低可增加G0/G1细胞周期阻滞,减少神经元形成,逐渐导致修复和再生能力的缺失,从而引起神经老化和障碍,如嗅觉功能障碍、空间记忆缺失和神经退行性疾病。

各种内在因素能够调节这一功能下降,从而调节大脑的衰老。例如,衰老调控因子(如p16)的年龄依赖性增长,可导致老化NSC库的减少。成年神经发生对环境压力(例如DNA损伤)也很敏感。单剂量的10Gay辐射暴露,可导致持久的认知障碍,DNA双链断裂修复不足可导致早熟的神经发生,最终降低神经元生产。

尽管目前已经取得了这些进展,成人NSGs对DNA损伤响应的分子特性及其功能重要性,在很大程度上还不明确。同样,成人NSCs是否或如何发展代偿机制来对抗过度DNA损伤和衰老造成的灾难性后果,也不明确。

NSCs老化是一个很难研究的课题,一方面是因为体内实验材料的稀缺性和不易操作,另一方面,是由于缺乏适当的模型来调控关键基因,在相对短的时间内检测分子机制。因此,在体外建立NSC衰老模型,对于阐明NSC衰老机制至关重要。羟基脲(Hydroxyurea,HU)最初作为一种抗肿瘤药物,抑制核苷酸还原酶,降低脱氧核苷酸的产量。因此,它可以引发复制叉附近的DNA双链断裂(DSB),对于核和线粒体DNA起着DNA复制抑制剂的作用,引起细胞和线粒体应激及功能障碍。它能诱导不同细胞系的衰老样变化,但是在NSCs中,羟基脲的作用尚不明确。

在目前的研究中,研究人员利用一种已经优化的HU程序,处理产后NSCs,成功制备了一种加速的细胞衰老模型。HU处理不仅诱导不可逆的细胞周期停滞和衰老样形态,而且还引起了衰老相关基因的表达升高,及DNA损伤修复机制的功能障碍。因此,NSCs的增殖能力和神经性分化功能也得以修复。

此外,慢性DNA损伤积累和DNA修复能力下降,伴随着胞内ROS水平升高和细胞凋亡减少而发生。这些结果表明,由HU处理诱导的NSCs细胞培养物的早衰,能够概括体内衰老的关键因素,从而可作为一种有用的衰老模型。进一步的蛋白质组学分析,解开了不同老化特征相关的分子网络,表明本研究中的细胞模型,可以广泛用来解析NSC及神经老化的机制。

本文摘自:生物通