《Nature》子刊：同济大学等成功制备神经干细胞衰老模型

　　

生物通报道：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。（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
A stress-induced cellular aging model with postnatal neural stem cells
Abstract：Aging refers to the physical and functional decline of the tissues over time that often leads to age-related degenerative diseases. Accumulating evidence implicates that the senescence of neural stem cells (NSCs) is of paramount importance to the aging of central neural system (CNS). However, exploration of the underlying molecular mechanisms has been hindered by the lack of proper aging models to allow the mechanistic examination within a reasonable time window. In the present study, we have utilized a hydroxyurea (HU) treatment protocol and effectively induced postnatal subventricle NSCs to undergo cellular senescence as determined by augmented senescence-associated-β-galactosidase (SA-β-gal) staining, decreased proliferation and differentiation capacity, increased G0/G1 cell cycle arrest, elevated reactive oxygen species (ROS) level and diminished apoptosis. These phenotypic changes were accompanied by a significant increase in p16, p21 and p53 expression, as well as a decreased expression of key proteins in various DNA repair pathways such as xrcc2, xrcc3 and ku70. Further proteomic analysis suggests that multiple pathways are involved in the HU-induced NSC senescence, including genes related to DNA damage and repair, mitochondrial dysfunction and the increase of ROS level. Intriguingly, compensatory mechanisms may have also been initiated to interfere with apoptotic signaling pathways and to minimize the cell death by downregulating Bcl2-associated X protein (BAX) expression. Taken together, we have successfully established a cellular model that will be of broad utilities to the molecular exploration of NSC senescence and aging.