下丘脑细胞外囊泡携带的胸腺素α1通过调控DNA损伤抵抗衰老相关神经退行性病变

《Cell Reports》：Control of aging-associated neurodegeneration via hypothalamic extracellular vesicles containing parathymosin

本研究针对衰老相关神经退行性病变的神经分泌机制这一关键科学问题，首次揭示下丘脑神经干细胞(htNSCs)来源的细胞外囊泡(EVs)携带的胸腺素α1(PTMS)通过递送小核RNA(snRNA)和小核仁RNA(snoRNA)复合物，保护神经元免受DNA损伤，从而显著改善阿尔茨海默病(AD)模型小鼠的神经病理和认知功能，为神经退行性疾病治疗提供了新策略。

　　

随着全球人口老龄化加剧，神经退行性疾病已成为严峻的公共卫生挑战。阿尔茨海默病(AD)作为最常见的神经退行性疾病，其发病机制复杂，目前尚无有效治疗方法。在衰老过程中，大脑功能逐渐衰退，神经元丢失加剧，但这一过程背后的分子机制尚不明确。近年来，科学家们将目光投向大脑的内分泌调控网络，特别是下丘脑这一神经内分泌中枢。下丘脑不仅调控着机体的新陈代谢、生殖和应激反应，最新研究表明它还可能通过分泌特定因子影响全身衰老进程。然而，下丘脑是否通过特定的神经分泌机制来抵抗神经退行性病变，这一科学问题亟待解答。

在这项发表于《Cell Reports》的研究中，研究人员深入探究了下丘脑神经干细胞(htNSCs)分泌的细胞外囊泡(EVs)及其携带的胸腺素α₁(PTMS)在抵抗神经退行性病变中的关键作用。研究团队通过构建PTMS基因敲除(KO)小鼠模型，结合下丘脑特异性PTMS功能增益研究，以及深入的分子机制探索，系统揭示了PTMS通过下丘脑来源的EVs发挥神经保护功能的新机制。

研究采用的主要技术方法包括：PTMS基因敲除小鼠模型的构建与表征、下丘脑立体定向注射技术、细胞外囊泡的分离与鉴定、纳米流式细胞术分析EVs亚群、RNA免疫共沉淀(RIP)技术分析RNA-蛋白质相互作用、体外紫外线(UV)诱导的DNA损伤模型、以及动物行为学测试等。研究使用了来自Albert Einstein College of Medicine的转基因核心设施生成的PTMS-KO小鼠和Jackson Laboratory的5xFAD小鼠模型。

PTMS遗传功能缺失诱导小鼠严重神经退行性变

研究人员首先通过CRISPR/Cas9技术成功构建了PTMS基因敲除小鼠模型。年轻PTMS-KO小鼠发育正常，神经行为学表现与野生型(WT)对照组无显著差异。然而，随着小鼠衰老，PTMS-KO小鼠表现出明显的神经功能缺陷，包括运动协调能力下降和认知功能障碍。更重要的是，PTMS-KO小鼠的寿命显著缩短。组织学分析显示，老年PTMS-KO小鼠出现多脑区明显萎缩，而年轻小鼠则无此现象。通过Fluoro-Jade C染色和磷酸化H2A.X(pH2A.X)免疫染色发现，PTMS缺失导致中年小鼠多个脑区出现神经退行性变和DNA损伤标志物积累。

下丘脑PTMS对抗衰老相关神经退行性变的保护作用

为了验证下丘脑PTMS的神经保护功能，研究人员通过立体定向注射技术，将携带HA标签PTMS的重组慢病毒导入中年小鼠的下丘脑内侧基底部(MBH)区域。实验组小鼠在衰老过程中表现出显著减轻的神经元DNA损伤，而对照组老年小鼠则出现广泛的DNA损伤。更重要的是，下丘脑PTMS功能增益赋予了小鼠显著的长寿优势，同时改善了神经行为学表现。这些结果表明，提高下丘脑PTMS水平能够有效抵抗衰老相关的神经退行性变，增强认知功能并延长寿命。

下丘脑EVs亚群以PTMS存在为特征

研究人员进一步探究了PTMS的神经分泌机制。通过比较下丘脑神经干细胞(htNSCs)和下丘脑神经元(htNeurons)来源的EVs，发现htNSCs释放的PTMS阳性EVs水平显著更高。免疫荧光染色证实了内源性PTMS存在于htNSCs来源的EVs亚群中。通过慢病毒转导HA标签PTMS的实验进一步证明，PTMS能够有效装载入htNSCs来源的EVs中。

PTMS与htNSCs来源EVs中的小核和小核仁RNA相关

研究发现PTMS与htNSCs来源EVs中的小核RNA(snRNAs)和小核仁RNA(snoRNAs)形成复合物。通过HA免疫沉淀实验，研究人员鉴定出多个与PTMS结合的sn/snoRNA物种。这种PTMS-sn/snoRNA复合物在非下丘脑来源的神经元细胞系Neuro-2A的EVs中并未明显检测到，表明这一特征可能是htNSCs来源EVs的特有属性。

PTMS相关小RNA通过htNSCs来源EVs转移至神经元

研究人员使用GT1-7神经元细胞系作为受体模型，发现PTMS阳性EVs能够将sn/snoRNAs有效递送至受体细胞，而PTMS缺失的EVs则无法实现这一功能。这表明PTMS对于htNSCs来源EVs中sn/snoRNAs的结合和递送至关重要。

含PTMS的htNSCs来源EVs对DNA损伤的保护作用

通过紫外线诱导的DNA损伤模型，研究发现PTMS阳性EVs处理能够显著减轻受体神经元的DNA损伤，而PTMS缺失的EVs或Dicer敲低(导致小RNA生物合成受损)的EVs则无法提供同等保护。这表明PTMS-sn/snoRNA复合物在htNSCs来源EVs介导的神经保护中发挥关键作用。

htNSCs-EVs部分逆转PTMS敲除模型的神经功能缺陷

在治疗应用中，研究人员发现脑室内注射htNSCs来源的EVs能够部分改善PTMS-KO小鼠的神经功能缺陷，而PTMS缺失的EVs则效果有限。组织学分析显示，htNSCs来源的EVs显著减少了多脑区的DNA损伤标志物积累。

含PTMS的htNSCs-EVs在5xFAD模型中的治疗潜力

在5xFADAD模型小鼠中，研究人员发现htNSCs群体减少，脑脊液中PTMS阳性EVs水平降低。通过鼻内给药方式，htNSCs来源的EVs治疗显著改善了5xFAD小鼠的认知和社会功能，这些效果依赖于PTMS的存在。同时，治疗还显著减轻了脑内DNA损伤病理。

研究结论表明，PTMS作为关键的大脑源性因子，通过下丘脑神经干细胞来源的细胞外囊泡递送sn/snoRNA复合物，保护神经元免受DNA损伤，从而抵抗衰老相关的神经退行性病变。这一发现不仅深化了对大脑内分泌调控网络的理解，还为神经退行性疾病的治疗提供了新的策略。特别是基于htNSCs来源EVs的治疗平台，结合非侵入性的鼻内给药途径，展现出良好的临床转化前景。该研究为开发针对阿尔茨海默病等神经退行性疾病的创新疗法奠定了重要基础。