衰老導致成年海馬神經再生衰退的相關機制研究進展

徐驪馳，王公明，徐淑香，張孟元

1 山東大學附屬省立醫院麻醉科，濟南250021；2 山東大學附屬省立醫院疼痛科

海馬被認為是與學習記憶功能密切相關的部位，而成年海馬神經再生發生于成年哺乳動物海馬齒狀回，并與海馬體依賴的學習和記憶有關［1-2］。在成年后，海馬齒狀回內仍存在神經干細胞巢，可不斷產生新的神經元，新產生的神經元可在學習和記憶等認知過程中發揮功能作用。海馬齒狀回的亞顆粒區（SGZ）是神經干細胞巢的所在部位，可提供神經干細胞增殖分化的微環境，這種微環境稱為神經源性小生境。SGZ的神經干細胞增殖分化并且向顆粒區遷移，形成顆粒神經元。成年海馬齒狀回顆粒神經元在功能整合到海馬回路之前，要經過幾個連續的發育階段：首先神經干細胞分化為神經前體細胞（NPC），NPC 再分化為成神經細胞，最后成神經細胞分化為未成熟的神經元，進而遷移入顆粒細胞層成為成熟的齒狀回顆粒神經元。除了神經干細胞巢之外，該區域還包含神經發生的幾種支持細胞以及免疫細胞，如星形膠質細胞、小膠質細胞、T 細胞等，以及與神經發生緊密相關的密集血管網絡［3］。已有研究表明，衰老可導致成年海馬神經再生衰退，且可能是阿爾茨海默病（AD）等神經退行性疾病引起記憶缺陷的潛在機制［4-8］。但年齡相關成年海馬神經再生的相關機制目前仍在研究中，主要涉及到以下3個學說：海馬干細胞巢隨著年齡的增長而枯竭，衰老個體的神經源性小生境功能衰退和衰老個體神經干細胞的表觀遺傳學變化。本文對衰老導致成年海馬神經再生衰退的相關機制作一綜述，為預防和治療AD等神經退行性疾病提供新的思路。

1 海馬干細胞巢隨著年齡增長而枯竭

隨著年齡的增長，靜止神經干細胞的活化會產生越來越多的星形膠質細胞，能夠產生神經元的神經干細胞數量顯著降低，且這種細胞為“一次性細胞”，即只具備單向分化的能力，不具備有絲分裂保留干細胞“種子”的能力。因此，隨著年齡的增加，神經干細胞不斷分化為神經元的同時，干細胞巢中的干細胞數量也在不斷降低。

然而，單個神經干細胞在分化為星形膠質細胞后，依然能夠轉化而恢復成為靜止神經干細胞和重新活化，這一過程可延緩神經干細胞巢的耗竭。研究表明，大鼠海馬SGZ 中神經干細胞的密度在整個生命過程中都保持相對恒定，即使是處于老年期，靜止狀態的神經干細胞巢仍可被激活，增殖分化產生新生神經元；老年大鼠中，神經干細胞巢可產生中間神經元，盡管數量比年輕個體要減少，但細胞結構復雜性與年輕時相當，并仍可在體內現有的海馬回路中繼續形成一定水平的谷氨酸能突觸［9］。Arc基因是神經元活動的標志物，成年大鼠與幼年大鼠相比，海馬神經元在對環境刺激做出響應時，會以相同的頻率顯示出Arc基因的激活，這表明海馬新生神經元的功能并不會隨著年齡的增加而減退。因此，老年個體神經干細胞在數量與潛在功能上與年輕時并無明顯差別，神經干細胞枯竭學說并不能解釋年齡相關海馬神經再生降低以及與之相伴的認知功能減退。

2 衰老個體的神經源性小生境功能衰退

在衰老個體的大腦中，海馬神經源性小生境中各種細胞因子的表達水平發生退行性改變，致使局部微環境發生變化，這些變化可對神經干細胞的增殖分化產生影響［10-11］。神經源性小生境功能減退的機制可能涉及以下幾種分子的表達變化以及小膠質細胞數量和功能的變化。

2.1 神經源性小生境調控分子表達變化 幼年和老年大鼠海馬中神經干細胞的數量保持不變，然而在老年大鼠中進行有絲分裂的神經干細胞數量較幼年大鼠有所減少，造成這一現象的原因可能是神經源性小生境中調節神經再生的重要因子在老年大鼠海馬齒狀回中的表達急劇下降。神經源性小生境內部不同因素存在復雜的相互作用，這些因素可能會受到衰老過程的影響，從而最終影響衰老大腦中產生的未成熟神經元的數量，進而調控成年海馬神經再生。

腦源性神經營養因子（BDNF）是中樞神經系統中含量最豐富、分布最廣泛的神經營養因子，在調控成體神經元再生中發揮著重要作用，包括影響海馬中神經元的分化、增殖和遷移過程［12］。cAMP 反應元件結合蛋白（CREB）屬于亮氨酸拉鏈轉錄因子家族，在多種組織中均有表達。CREB 在記憶形成過程中發揮了重要的作用，其激活過程被認為是促進神經元生長和存活的主要機制，并參與調控海馬神經再生。研究發現，中年個體BDNF 的表達水平與CREB 的磷酸化水平比年輕個體顯著下降，老年個體又比中年個體顯著下降，這些變化介導了海馬衰老過程中新生神經元產生的減少［13］。Wnt信號通路被認為是神經源性小生境中調節海馬神經再生的重要因子，其參與調控海馬神經干細胞的有絲分裂。研究發現，老年小鼠海馬神經再生的逐漸衰退與Wnt 信號通路介導的有絲分裂因子survivin 表達下調有關；與此同時，Wnt信號通路拮抗因子Dickkopf-1的表達隨著年齡增長而增加，與野生型老年小鼠相比，Dickkopf-1 基因缺陷老年小鼠海馬神經再生增加，且海馬主導的認知水平（如學習記憶功能）也得到提高［2］。

成纖維細胞生長因子2（FGF-2）、表皮生長因子（EGF）、胰島素樣生長因子1（IGF-1）和血管內皮生長因子（VEGF）等也參與調節成年海馬神經元再生，其在嚙齒動物年齡相關的海馬神經再生衰退中也發揮了重要作用［14］。腦室內顯微注射FGF-2 和EGF 可以逆轉年齡相關的海馬神經再生減低，增加海馬中成熟神經元的數量，說明這兩種生長因子表達降低是年齡相關海馬神經再生減退的原因之一，且老年大腦仍可受到外源性生長因子的影響，表現為神經再生的恢復。衰老大鼠海馬中FGF-2、IGF-1和VEGF 表達顯著下降。大鼠海馬FGF-2 表達下降是由于隨著年齡的增長，星形膠質細胞合成FGF-2的能力逐漸衰退。海馬也是大鼠大腦中FGF-2受體（FGFR2）表達最高和最強的區域之一，海馬星形膠質細胞為海馬中高表達FGFR2 的細胞，且該蛋白的表達隨年齡增長而顯著下降。靜脈輸注IGF-1 可改善老年大鼠海馬神經再生減少，而長壽命小鼠（Ames矮小鼠）模型中存在IGF-1表達增加和海馬神經再生增強。有研究給老年小鼠注入年幼小鼠的VEGF，發現其海馬神經再生增強，證明VEGF 在年齡相關海馬神經再生衰退中發揮作用［15］。

糖皮質激素及其受體家族的合成與釋放可隨著年齡的增長而增加，也被認為是與年齡相關的海馬神經再生減低的主要因素之一。機體糖皮質激素的合成釋放增加可造成海馬萎縮，進而導致成年海馬神經再生減低［16］。因此，神經源性小生境中的相關分子表達可隨年齡呈現出動態變化的特征，不同分子表達的增加與減少均可對成年海馬神經再生產生影響。

2.2 神經源性小生境中小膠質細胞數量與功能的變化 小膠質細胞作為神經源性小生境的支持細胞之一，被認為是調控海馬神經再生的主要神經膠質細胞。研究表明，介導小膠質細胞與神經元相互作用的細胞因子CD200 和CX3CL1 在衰老的大腦中分解增加，致使小膠質細胞活化增加，進而導致海馬神經發生減少［17］。有研究用米諾環素將成年小鼠小膠質細胞滅活，可觀察到伴隨著小膠質細胞活化減少，小鼠海馬神經再生增加，Morris 水迷宮測試小鼠的認知水平也相應提升［18］。然而，有研究使用腺病毒建立神經變性疾病小鼠模型，發現在病理性衰老條件下可促進小膠質細胞增殖，有利于神經再生，而抑制小膠質細胞增殖可導致神經再生減少［19］。針對這一現象，有研究將小鼠進行運動訓練，提取進行運動訓練后小鼠的原代小膠質細胞培養，將培養的原代小膠質細胞注入衰老小鼠的海馬中，觀察到衰老小鼠潛伏NPC 的激活。因此，小膠質細胞對于神經再生的作用具有兩重性，在神經變性疾病中，小膠質細胞活化可吞噬變性細胞，對海馬神經再生具有保護作用；而小膠質細胞過度激活可導致海馬神經炎癥的發生，進而抑制海馬神經再生［18-19］。由于人體實驗的局限性，我們對小膠質細胞參與老年人類海馬神經再生的認識有限。但不可否認的是，了解小膠質細胞調節海馬神經發生的機制有助于了解中風、AD等年齡相關神經疾病的發病機制，進而優化臨床干預策略［20］。

3 衰老個體神經干細胞的表觀遺傳學變化

表觀遺傳學是對目的基因結構進行一定的修飾，從而影響基因表達活性，但不改變目的基因DNA 序列的過程。引起表觀遺傳變化的機制包括DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼 RNA 調節［21-23］。上述三個過程均參與了成年海馬神經再生的調控，且這些調控因素相互影響，組成調控神經再生各階段的復雜調控網絡。表觀遺傳可通過影響神經源性小生境中的分子表達來影響成年海馬神經再生，組蛋白乙酰化、DNA 甲基化通過募集調節轉錄的蛋白來影響 BDNF 基因轉錄［24-25］，非編碼 RNA miR-25 可靶向調節編碼IGF-1 mRNA 的轉錄水平［26］。表觀遺傳也可直接影響成年海馬神經干細胞的增殖分化，包括 miR-106b、miR-17-92、miR-93 和 miR-25 在內的許多miRNAs 可促進或抑制成年海馬神經干細胞的增殖［22，26］。有研究發現，敲低 miR-25 表達會減少成年海馬神經干細胞增殖，而向體外培養神經干細胞中轉染慢病毒異位表達miR-25 則會促進其增殖；同時，在體外培養的神經干細胞中表達整個miR-106b～25 簇，也可增加神經干細胞的增殖分化，產生新神經元的能力［27］。因此，表觀遺傳學在成年海馬神經再生的調控中具有重要作用，可直接或間接調控成年海馬神經元的再生。

在衰老個體中，海馬神經干細胞標記物NeuroD啟動子處的組蛋白H3K9三甲基化顯著增加，海馬神經前體細胞DCX啟動子處H3K4三甲基化顯著減少，而H3K27 三甲基化顯著增加，這些變化介導了成年海馬神經再生過程中分化過程的減弱［28］。在AD 患者中，海馬DNA甲基化和羥甲基化水平普遍下降，對AD 患者大腦進行的全基因組DNA 甲基化分析結果顯示，有71個離散CpG二核苷酸的DNA甲基化狀態改變，并伴有相關基因表達失調，這種失調不但介導了AD發病機制中的α淀粉樣蛋白沉積，也與成年海馬神經再生減退有關。啟動子DNA 甲基化與H3K9乙酰化可協同控制Psen1 表達，而Psen1 基因可控制NPC分化，并與學習記憶功能密切相關。

綜上所述，衰老介導成年海馬神經再生衰退，其可能的機制包括海馬干細胞巢隨著年齡的增長而枯竭；衰老個體的神經源性小生境功能衰退，無法提供干細胞進一步增殖的分子微環境；衰老個體神經干細胞的表觀遺傳學變化。神經源性小生境功能衰退是近些年相關臨床干預的作用靶點，單細胞測序等技術的應用使得神經源性小生境的組分和功能更加明確，衰老可導致其中的組分發生炎性與退行性改變，進而影響成年海馬神經元再生。