吴海涛实验室揭示神经干细胞衰老调控新机制

作者：杨超月

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人类大脑由860亿个神经元组成。其中源自脑室区（VZ/SVZ）的神经干细胞（NSCs）是脑内各类细胞亚型次序生成的重要基础，NSCs的分化与成熟是大脑发育和功能神经环路建立的必须步骤【1】。NSCs发育缺陷可导致小头症和唐氏综合征等多种发育性神经精神疾病的发生。尽管既往围绕胚胎期NSCs发育调控机制已有大量文献报道，然而，目前关于胚胎期NSCs存活与衰老命运调控机制的理解仍较为有限。

既往有关细胞衰老的研究大多聚焦于机体老化及相关退行性疾病，有趣的是，近年来研究发现，在胚胎发育早期包括神经前体细胞在内多种组织干细胞中，也存在一种发育性细胞衰老（Developmentally-programmed cellular senescence）的现象，被认为同器官发育和组织形态重塑有关【2,3】。目前认为，成体神经干细胞异常衰老往往与阿尔茨海默病（AD）等神经系统退行疾病密切相关【4,5】。但胚胎期神经干细胞衰老的病理生理学意义及其信号机制却充满谜团。

Rack1（蛋白激酶C受体）是色氨酸-天门冬氨酸域重复（WDR）蛋白家族成员之一，作为多功能支架蛋白，可结合来自不同通路的信号分子并在多种哺乳动物发育过程中起关键作用。军事医学研究院吴海涛课题组2019年2月14日在PNAS首先报道了Rack1蛋白可通过分别靶向调控小脑神经干细胞（NSCs）和颗粒前体细胞（GNPs）中Wnt和Shh信号通路决定小脑发育进程【6】（详见BioArt报道：PNAS丨一石二鸟，吴海涛组揭示小脑发育新型关键调控分子）。

2021年8月31日，吴海涛课题组又在Cell Reports杂志发表题为Rack1 is essential for corticogenesis by preventing p21-dependent senescence in neural stem cells的封面研究论文。该研究揭示了Rack1在调控NSCs衰老和皮层发育进程中的全新机制。

在该研究中，研究人员首先构建了前额叶特异性敲除Rack1基因的突变小鼠，发现突变小鼠具有典型的小头症样表型。通过对分离纯化的NSCs进行Rack1体外敲除和RNA-seq分析发现，Rack1缺失NSCs中衰老通路相关基因表达呈上调趋势，并伴随衰老相关分泌表型（SASP）分子表达的显著增加。借助衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-Gal）特异性染色方法，发现Rack1突变小鼠胚胎期脑室和脑室下区（VZ/SVZ）存在大量SA-β-Gal+衰老细胞，并伴随有小胶质细胞的大量激活。生化分析显示衰老相关分子p21，磷酸化Smad3和去磷酸化Rb水平均显著上调，表明NSCs中缺失Rack1可显著诱导p21依赖性衰老信号通路激活。

进一步，在体功能挽救实验发现，敲除p21可显著挽救Rack1 突变小鼠大脑发育缺陷表型，表明p21介导的细胞衰老信号通路激活在Rack1缺失诱导NSCs衰老过程中发挥核心作用。接着，为了回答Rack1缺失是如何诱导p21信号通路激活的问题，通过借助蛋白质谱、计算机分子模拟、生化和小鼠胚胎颅内电转等技术方法，证实了Rack1和Smad3分子之间的直接结合在抑制p21表达上调和衰老信号通路激活中发挥关键作用（图1）。

图1. Rack1调控神经干细胞衰老和皮层发育作用模式图

该研究首次揭示了Rack1缺失诱导的NSCs衰老与大脑皮层发育缺陷之间的密切关系，证实了NSCs异常衰老可导致小头症样表型。值得一提的是，目前已发现多种WDR家族成员（~10%）突变均与脑发育和认知功能障碍相关，如Wdr47突变小鼠也具有类似的小头症样和胼胝体发育缺陷表型【7】。相关结果提示WDR家族成员可能在人脑胼胝体发育异常性疾病中发挥潜在功能。此外，本研究对深入理解老龄化阶段NSCs衰老在神经退行性病变发生中的作用机制也具有一定参考价值。

军事医学研究院2016级博士生朱倩（现南京医科大学博士后）和助理研究员陈丽萍博士为论文共同第一作者，军事医学研究院吴海涛研究员为该论文唯一通讯作者。