Nature｜Fgf17 如何逆转大脑衰老？
丁香实验
一、导读
大脑老化是痴呆和神经退行性疾病的根源，给家庭和社会带来巨大负担。前期对模式生物的系统性研究表明适当的外界干预能够逆转包括大脑在内的多种组织的生物学衰退。例如，年轻血浆的输注可使老年大脑恢复活力并恢复记忆功能。然而，大脑受到了脑屏障的保护，这在一定程度上可能会限制这些干预措施的获取，进而阻碍它们的功能效应。
脑脊液（Cerebrospinal fluid, CSF）与脑细胞密切相关，它携带信号，指导发育过程中神经元祖细胞的增殖和特异性。然而，脑脊液蛋白组成会随着人类年龄的增长而变化，表现为炎症蛋白的增加和脑源性神经营养因子等生长因子的减少。不过，脑脊液中的这些变化是否与年龄相关的认知能力下降有关尚不清楚。
2022 年 5 月 11 日，来自斯坦福大学医学院神经学与神经科学系的科研团队在国际顶级期刊 Nature 发表了题为 Young CSF restores oligodendrogenesis and memory in aged mice via Fgf17 的研究性文章，他们发现将年轻的脑脊液直接注入衰老的大脑可以明显改善记忆功能，其中少突胶质细胞对这种恢复最敏感，他们还进一步确定了 Fgf17 是在衰老的大脑中恢复少突胶质细胞功能的关键靶点。
图片来源：Nature
二、主要研究内容
（一）幼龄小鼠脑脊液对少突胶质细胞的调控
首先，该团队试图测试向老年小鼠注入年轻的脑脊液是否能改善海马与衰老相关的损伤，如学习和记忆。他们对 20 个月大的老鼠进行了足部电击，然后小鼠被随机分为两组，分别注入人工脑脊液（aCSF）或幼鼠脑脊液（YM-CSF），在 3 周后进行记忆测试。结果发现，注射 YM-CSF 的小鼠对恐惧记忆保存得更好。
由于海马在与年龄相关的认知衰退中起着核心作用，并且与脑脊液非常接近，因此他们通过转录组测序来评估注入年轻脑脊液后对海马转录组的影响。基因差异表达分析共发现 271 个差异表达基因，值得注意的是，少突胶质细胞相关基因高度上调，这表明这种细胞类型是脑脊液的主要细胞底物，具体来说，年轻的脑脊液促进了驱动少突胶质细胞分化、主要髓鞘蛋白成分的转录因子的上调。
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（二）血清反应因子介导年轻脑脊液对少突胶质细胞祖细胞的影响
光遗传学工具或学习任务诱导的神经元活性被证明可以促进少突胶质细胞祖细胞（OPCs）的增殖和分化，并调节成熟少突胶质细胞的髓磷脂可塑性。
为了更深入地了解年轻的脑脊液在 OPCs 中诱导中的作用，他们对用年轻人脑脊液（YH-CSF）处理后的 OPCs 进行转录组学和代谢组学的分析。发现血清反应因子（Serum Response Factor, SRF）显著上调，SRF 可以通过调节肌动蛋白细胞骨架等来诱导细胞运动、增殖和分化。此外，他们还注意到 Wnt 信号负调控因子、促凋亡因子 Bcl7b 和 DNA 修复蛋白 Rpa3 的显著下调。
接下来，为了检测测试 CSF 诱导的血清反应因子表达是否调控 OPCs 肌动蛋白的细胞骨架，他们将 OPCs 暴露于 YH-CSF 中，同时加入 Siractin（一种用于标记肌动蛋白丝进行实时成像的荧光探针）并使用肌动蛋白丝染料进行固定和染色。结果发现，在固定细胞中，OPCs 暴露于 YH-CSF 6 小时后，每个细胞的标记染料表达量是对照组的两倍。
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鉴于前期的研究表明肌细胞中特异性的 SRF 信号缺失会导致小鼠和蠕虫骨骼肌中加速衰老的表型，因此他们提出疑问：在衰老的大脑中，SRF 信号是否可能在 OPCs 中被下调？
实验结果显示，SRF 阳性的 OPCs 会随年龄增长显著降低，同时，随着衰老，OPCs 中最主要的下调通路与少突胶质细胞标志物、胶质细胞分化调控、细胞呼吸和代谢以及蛋白质折叠有关；相反，免疫相关通路和小胶质细胞特异性基因则会随着年龄的增长而上调。总之，上述这些实验表明，SRF 在 OPCs 中的信号随着衰老而下调，并在体内注射年轻脑脊液后被诱导恢复。
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（三）Fgf17 模拟年轻脑脊液对 OPCs 和记忆的影响
脑脊液中有数百种蛋白质可以诱发信号，血清反应因子的几个靶基因也是已知的 SRF 本身的上游诱导剂。其中，成纤维细胞生长因子 8（Fgf8）和 Fgf17 呈现了最强的剂量依赖性反应。他们随后将 Fgf17 作为深入研究的重点，因为它是一种大脑富集蛋白，其在人和小鼠神经元中的水平会随着年龄的增长而下降。
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初步的体外实验结果表明，Fgf17 可显著诱导 OPCs 的增殖。
为了测定它们的体内活性，他们将重组 Fgf8 和 Fgf17 注入老龄小鼠，类似于脑脊液的给药方式。体内实验结果显示，Fgf17 的确可以诱导衰老海马中 OPCs 的增殖，而 Fgf8 则没有这种效应。接下来，他们进一步测试了 Fgf17 灌注对认知的影响，发现它的确改善了小鼠的长期记忆表现。
这些实验证明，Fgf17 足以模拟年轻的脑脊液对海马中 OPCs 增殖和老年小鼠记忆巩固的影响，将 Fgf17 和认知功能联系在一起。
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三、研究总结
综上所述，在这项研究中，他们发现年轻的脑脊液输注足以改善老年小鼠的记忆功能。在分子层面，他们发现在小鼠神经元和人脑脊液中，Fgf17 的水平随年龄的增长而下降，而 Fgf17 在体内外均可促进 OPCs 的增殖和提高老龄小鼠的认知能力，这表明它是年轻脑脊液恢复活力的主要成分。
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总之，该结果表明，通过年轻脑脊液中存在的因子靶向海马髓鞘化可能是一种预防或拯救与衰老和神经退行性疾病相关的认知衰退的治疗策略。
四、延伸阅读
为了返老还童，不同领域的科学家们一直都在进行着不懈的探索，这些研究结果也同样为我们带来了新的希望。
2022 年 4 月 8 日，英国剑桥大学的科研团队在 eLife 杂志发表了题为 Multi-omic rejuvenation of humancells by maturation phase transient reprogramming 的研究论文。在前人的基础上，他们开发了一种重编程技术，可以使皮肤细胞恢复年轻活力, 他们的实验数据表明这一策略可使衰老的皮肤细胞状态倒退大约 30 年！毫无疑问，这一技术将对再生医学的发展产生深远影响。
图片来源：eLife
另外，在给衰老小鼠注入年轻小鼠的血液时，科学家们发现许多细胞和组织都「年轻化」了。来自美国加州大学伯克利分校的研究人员更是对其中发挥作用的成分进行了细致研究。
他们在 Aging 杂志上发表的题为 Rejuvenation of three germ layers tissues by exchanging old blood plasma with saline-albumin 的研究论文表明，用生理盐水和白蛋白的混合物替换一半的血浆可以实现逆转衰老的目的，并可使衰老小鼠的肌肉、大脑和肝脏组织恢复活力。
图片来源：Aging
当然，在返老还童方面，肠道菌群可能会迟到，但永远不会缺席！虽然说将年轻人的「粑粑」移植给老年人，听起来让人不适，但这一操作却的确能够在一定程度上实现返老还童。这篇在 Nature Aging 杂志发表的文章表明，将年轻小鼠的肠道菌群移植给老年小鼠，能够明显抵消小鼠大脑中与衰老相关的特定改变，进而表明了粪便移植对衰老相关的认知衰退的潜在治疗潜力。
图片来源：Nature Aging
参考文献：
1. Iram, T., Kern, F., Kaur, A. et al. Young CSF restores oligodendrogenesis and memory in aged mice via Fgf17. Nature (2022).
2. Castellano, J. M. et al. Human umbilical cord plasma proteins revitalize hippocampal function in aged mice. Nature 544, 488–492 (2017).
3. Fame, R. M. & Lehtinen, M. K. Emergence and developmental roles of the cerebrospinal fluid system. Dev. Cell 52, 261–275 (2020).
4. Gill D, et al. Multi-omic rejuvenation of human cells by maturation phase transient reprogramming. Elife. 2022 Apr 8;11:e71624. doi: 10.7554/eLife.71624.
5. Mehdipour M, et al. Rejuvenation of three germ layers tissues by exchanging old blood plasma with saline-albumin. Aging (Albany NY). 2020 May 30;12(10):8790-8819. doi: 10.18632/aging.103418.
6. Boehme, M., Guzzetta, K.E., Bastiaanssen, T.F.S. et al. Microbiota from young mice counteracts selective age-associated behavioral deficits. Nat Aging 1, 666–676 (2021).
