衰老导致成年海马神经再生衰退的相关机制研究进展

徐骊驰，王公明，徐淑香，张孟元

1 山东大学附属省立医院麻醉科，济南250021；2 山东大学附属省立医院疼痛科

海马被认为是与学习记忆功能密切相关的部位，而成年海马神经再生发生于成年哺乳动物海马齿状回，并与海马体依赖的学习和记忆有关［1-2］。在成年后，海马齿状回内仍存在神经干细胞巢，可不断产生新的神经元，新产生的神经元可在学习和记忆等认知过程中发挥功能作用。海马齿状回的亚颗粒区（SGZ）是神经干细胞巢的所在部位，可提供神经干细胞增殖分化的微环境，这种微环境称为神经源性小生境。SGZ的神经干细胞增殖分化并且向颗粒区迁移，形成颗粒神经元。成年海马齿状回颗粒神经元在功能整合到海马回路之前，要经过几个连续的发育阶段：首先神经干细胞分化为神经前体细胞（NPC），NPC 再分化为成神经细胞，最后成神经细胞分化为未成熟的神经元，进而迁移入颗粒细胞层成为成熟的齿状回颗粒神经元。除了神经干细胞巢之外，该区域还包含神经发生的几种支持细胞以及免疫细胞，如星形胶质细胞、小胶质细胞、T 细胞等，以及与神经发生紧密相关的密集血管网络［3］。已有研究表明，衰老可导致成年海马神经再生衰退，且可能是阿尔茨海默病（AD）等神经退行性疾病引起记忆缺陷的潜在机制［4-8］。但年龄相关成年海马神经再生的相关机制目前仍在研究中，主要涉及到以下3个学说：海马干细胞巢随着年龄的增长而枯竭，衰老个体的神经源性小生境功能衰退和衰老个体神经干细胞的表观遗传学变化。本文对衰老导致成年海马神经再生衰退的相关机制作一综述，为预防和治疗AD等神经退行性疾病提供新的思路。

1 海马干细胞巢随着年龄增长而枯竭

随着年龄的增长，静止神经干细胞的活化会产生越来越多的星形胶质细胞，能够产生神经元的神经干细胞数量显著降低，且这种细胞为“一次性细胞”，即只具备单向分化的能力，不具备有丝分裂保留干细胞“种子”的能力。因此，随着年龄的增加，神经干细胞不断分化为神经元的同时，干细胞巢中的干细胞数量也在不断降低。

然而，单个神经干细胞在分化为星形胶质细胞后，依然能够转化而恢复成为静止神经干细胞和重新活化，这一过程可延缓神经干细胞巢的耗竭。研究表明，大鼠海马SGZ 中神经干细胞的密度在整个生命过程中都保持相对恒定，即使是处于老年期，静止状态的神经干细胞巢仍可被激活，增殖分化产生新生神经元；老年大鼠中，神经干细胞巢可产生中间神经元，尽管数量比年轻个体要减少，但细胞结构复杂性与年轻时相当，并仍可在体内现有的海马回路中继续形成一定水平的谷氨酸能突触［9］。Arc基因是神经元活动的标志物，成年大鼠与幼年大鼠相比，海马神经元在对环境刺激做出响应时，会以相同的频率显示出Arc基因的激活，这表明海马新生神经元的功能并不会随着年龄的增加而减退。因此，老年个体神经干细胞在数量与潜在功能上与年轻时并无明显差别，神经干细胞枯竭学说并不能解释年龄相关海马神经再生降低以及与之相伴的认知功能减退。

2 衰老个体的神经源性小生境功能衰退

在衰老个体的大脑中，海马神经源性小生境中各种细胞因子的表达水平发生退行性改变，致使局部微环境发生变化，这些变化可对神经干细胞的增殖分化产生影响［10-11］。神经源性小生境功能减退的机制可能涉及以下几种分子的表达变化以及小胶质细胞数量和功能的变化。

2.1 神经源性小生境调控分子表达变化 幼年和老年大鼠海马中神经干细胞的数量保持不变，然而在老年大鼠中进行有丝分裂的神经干细胞数量较幼年大鼠有所减少，造成这一现象的原因可能是神经源性小生境中调节神经再生的重要因子在老年大鼠海马齿状回中的表达急剧下降。神经源性小生境内部不同因素存在复杂的相互作用，这些因素可能会受到衰老过程的影响，从而最终影响衰老大脑中产生的未成熟神经元的数量，进而调控成年海马神经再生。

脑源性神经营养因子（BDNF）是中枢神经系统中含量最丰富、分布最广泛的神经营养因子，在调控成体神经元再生中发挥着重要作用，包括影响海马中神经元的分化、增殖和迁移过程［12］。cAMP 反应元件结合蛋白（CREB）属于亮氨酸拉链转录因子家族，在多种组织中均有表达。CREB 在记忆形成过程中发挥了重要的作用，其激活过程被认为是促进神经元生长和存活的主要机制，并参与调控海马神经再生。研究发现，中年个体BDNF 的表达水平与CREB 的磷酸化水平比年轻个体显著下降，老年个体又比中年个体显著下降，这些变化介导了海马衰老过程中新生神经元产生的减少［13］。Wnt信号通路被认为是神经源性小生境中调节海马神经再生的重要因子，其参与调控海马神经干细胞的有丝分裂。研究发现，老年小鼠海马神经再生的逐渐衰退与Wnt 信号通路介导的有丝分裂因子survivin 表达下调有关；与此同时，Wnt信号通路拮抗因子Dickkopf-1的表达随着年龄增长而增加，与野生型老年小鼠相比，Dickkopf-1 基因缺陷老年小鼠海马神经再生增加，且海马主导的认知水平（如学习记忆功能）也得到提高［2］。

成纤维细胞生长因子2（FGF-2）、表皮生长因子（EGF）、胰岛素样生长因子1（IGF-1）和血管内皮生长因子（VEGF）等也参与调节成年海马神经元再生，其在啮齿动物年龄相关的海马神经再生衰退中也发挥了重要作用［14］。脑室内显微注射FGF-2 和EGF 可以逆转年龄相关的海马神经再生减低，增加海马中成熟神经元的数量，说明这两种生长因子表达降低是年龄相关海马神经再生减退的原因之一，且老年大脑仍可受到外源性生长因子的影响，表现为神经再生的恢复。衰老大鼠海马中FGF-2、IGF-1和VEGF 表达显著下降。大鼠海马FGF-2 表达下降是由于随着年龄的增长，星形胶质细胞合成FGF-2的能力逐渐衰退。海马也是大鼠大脑中FGF-2受体（FGFR2）表达最高和最强的区域之一，海马星形胶质细胞为海马中高表达FGFR2 的细胞，且该蛋白的表达随年龄增长而显著下降。静脉输注IGF-1 可改善老年大鼠海马神经再生减少，而长寿命小鼠（Ames矮小鼠）模型中存在IGF-1表达增加和海马神经再生增强。有研究给老年小鼠注入年幼小鼠的VEGF，发现其海马神经再生增强，证明VEGF 在年龄相关海马神经再生衰退中发挥作用［15］。

糖皮质激素及其受体家族的合成与释放可随着年龄的增长而增加，也被认为是与年龄相关的海马神经再生减低的主要因素之一。机体糖皮质激素的合成释放增加可造成海马萎缩，进而导致成年海马神经再生减低［16］。因此，神经源性小生境中的相关分子表达可随年龄呈现出动态变化的特征，不同分子表达的增加与减少均可对成年海马神经再生产生影响。

2.2 神经源性小生境中小胶质细胞数量与功能的变化 小胶质细胞作为神经源性小生境的支持细胞之一，被认为是调控海马神经再生的主要神经胶质细胞。研究表明，介导小胶质细胞与神经元相互作用的细胞因子CD200 和CX3CL1 在衰老的大脑中分解增加，致使小胶质细胞活化增加，进而导致海马神经发生减少［17］。有研究用米诺环素将成年小鼠小胶质细胞灭活，可观察到伴随着小胶质细胞活化减少，小鼠海马神经再生增加，Morris 水迷宫测试小鼠的认知水平也相应提升［18］。然而，有研究使用腺病毒建立神经变性疾病小鼠模型，发现在病理性衰老条件下可促进小胶质细胞增殖，有利于神经再生，而抑制小胶质细胞增殖可导致神经再生减少［19］。针对这一现象，有研究将小鼠进行运动训练，提取进行运动训练后小鼠的原代小胶质细胞培养，将培养的原代小胶质细胞注入衰老小鼠的海马中，观察到衰老小鼠潜伏NPC 的激活。因此，小胶质细胞对于神经再生的作用具有两重性，在神经变性疾病中，小胶质细胞活化可吞噬变性细胞，对海马神经再生具有保护作用；而小胶质细胞过度激活可导致海马神经炎症的发生，进而抑制海马神经再生［18-19］。由于人体实验的局限性，我们对小胶质细胞参与老年人类海马神经再生的认识有限。但不可否认的是，了解小胶质细胞调节海马神经发生的机制有助于了解中风、AD等年龄相关神经疾病的发病机制，进而优化临床干预策略［20］。

3 衰老个体神经干细胞的表观遗传学变化

表观遗传学是对目的基因结构进行一定的修饰，从而影响基因表达活性，但不改变目的基因DNA 序列的过程。引起表观遗传变化的机制包括DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA 调节［21-23］。上述三个过程均参与了成年海马神经再生的调控，且这些调控因素相互影响，组成调控神经再生各阶段的复杂调控网络。表观遗传可通过影响神经源性小生境中的分子表达来影响成年海马神经再生，组蛋白乙酰化、DNA 甲基化通过募集调节转录的蛋白来影响 BDNF 基因转录［24-25］，非编码 RNA miR-25 可靶向调节编码IGF-1 mRNA 的转录水平［26］。表观遗传也可直接影响成年海马神经干细胞的增殖分化，包括 miR-106b、miR-17-92、miR-93 和 miR-25 在内的许多miRNAs 可促进或抑制成年海马神经干细胞的增殖［22，26］。有研究发现，敲低 miR-25 表达会减少成年海马神经干细胞增殖，而向体外培养神经干细胞中转染慢病毒异位表达miR-25 则会促进其增殖；同时，在体外培养的神经干细胞中表达整个miR-106b～25 簇，也可增加神经干细胞的增殖分化，产生新神经元的能力［27］。因此，表观遗传学在成年海马神经再生的调控中具有重要作用，可直接或间接调控成年海马神经元的再生。

在衰老个体中，海马神经干细胞标记物NeuroD启动子处的组蛋白H3K9三甲基化显著增加，海马神经前体细胞DCX启动子处H3K4三甲基化显著减少，而H3K27 三甲基化显著增加，这些变化介导了成年海马神经再生过程中分化过程的减弱［28］。在AD 患者中，海马DNA甲基化和羟甲基化水平普遍下降，对AD 患者大脑进行的全基因组DNA 甲基化分析结果显示，有71个离散CpG二核苷酸的DNA甲基化状态改变，并伴有相关基因表达失调，这种失调不但介导了AD发病机制中的α淀粉样蛋白沉积，也与成年海马神经再生减退有关。启动子DNA 甲基化与H3K9乙酰化可协同控制Psen1 表达，而Psen1 基因可控制NPC分化，并与学习记忆功能密切相关。

综上所述，衰老介导成年海马神经再生衰退，其可能的机制包括海马干细胞巢随着年龄的增长而枯竭；衰老个体的神经源性小生境功能衰退，无法提供干细胞进一步增殖的分子微环境；衰老个体神经干细胞的表观遗传学变化。神经源性小生境功能衰退是近些年相关临床干预的作用靶点，单细胞测序等技术的应用使得神经源性小生境的组分和功能更加明确，衰老可导致其中的组分发生炎性与退行性改变，进而影响成年海马神经元再生。