作者首先確認(rèn)了GDF11主要在成年小鼠、狨猴和人腦的興奮性神經(jīng)元（EN）中表達(dá)，并且GDF11在EN中的表達(dá)隨自然衰老進(jìn)程而降低。為研究興奮性神經(jīng)元中內(nèi)源性GDF11與神經(jīng)元衰老之間的關(guān)系，研究人員通過選擇性地刪除小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)EN中的GDF11，構(gòu)建了GDF11cKO小鼠。結(jié)果顯示，中樞神經(jīng)系統(tǒng)EN中GDF11的缺失會(huì)優(yōu)先誘導(dǎo)特定腦區(qū)(扣帶回、島葉和梨狀皮層)的細(xì)胞衰老，主要衰老細(xì)胞是興奮性神經(jīng)元，表明EN中內(nèi)源性GDF11是其維持年輕狀態(tài)所必需的。此外，相對于對照小鼠，GDF11cKO小鼠的壽命縮短10%，證明興奮性神經(jīng)元中的GDF11在腦衰老甚至全身衰老中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。體外實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用CRISPR/Cas9技術(shù)在Neuro-2a細(xì)胞中敲除GDF11，結(jié)果發(fā)現(xiàn)敲除GDF11加快細(xì)胞衰老，體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)得到一致的結(jié)果。
圖1.興奮性神經(jīng)元中GDF11的缺失導(dǎo)致細(xì)胞衰老和大腦老化
為探究興奮性神經(jīng)元中內(nèi)源性GDF11與神經(jīng)元衰老之間的關(guān)系，研究人員采用Cre/loxp策略，通過向GDF11f/f小鼠的扣帶回皮層（Cg2）中注射AAV9-CaMKIIα-Cre-EGFP病毒，在小鼠扣帶回興奮性神經(jīng)元中特異性敲除GDF11。結(jié)果顯示，敲除GDF11后，EN自身的興奮性增強(qiáng)，其接收的抑制性輸入減少,但增加了興奮性輸入，這種動(dòng)態(tài)平衡最終導(dǎo)致神經(jīng)元的過度興奮。行為學(xué)測試揭示局部性和系統(tǒng)性的GDF11缺失都會(huì)使小鼠的社交能力、社會(huì)記憶和物體識(shí)別記憶惡化，這表明通過敲除GDF11誘導(dǎo)EN細(xì)胞衰老足以引起認(rèn)知能力下降。
圖2.興奮性神經(jīng)元中GDF11的缺失會(huì)損害認(rèn)知和記憶
研究人員進(jìn)一步探究了體內(nèi)GDF11缺失誘導(dǎo)的EN加速衰老的細(xì)胞通路，發(fā)現(xiàn)敲除GDF11影響衰老相關(guān)基因的表達(dá)和衰老相關(guān)的生物學(xué)過程，且顯著上調(diào)促衰老關(guān)鍵因子p21。為研究EN誘導(dǎo)的EN衰老中GDF11的缺失是否也需要p21，生成了GDF11和p21雙敲除小鼠，進(jìn)一步驗(yàn)證了p21在GDF11缺失誘導(dǎo)的EN衰老中是必需的。機(jī)制上，GDF11敲除上調(diào)Smad2磷酸化，促進(jìn)Smad2/3復(fù)合體進(jìn)入細(xì)胞核，然后Smad2結(jié)合p21啟動(dòng)子并促進(jìn)p21的轉(zhuǎn)錄，以誘導(dǎo)興奮性神經(jīng)元衰老。
圖3.p21是體內(nèi)興奮性神經(jīng)元GDF11缺失誘導(dǎo)衰老所必需的
本研究表明GDF11的缺失促進(jìn)通過Smad2誘導(dǎo)的p21上調(diào)，導(dǎo)致神經(jīng)元衰老以及腦衰老，并影響認(rèn)知功能和小鼠壽命，揭示了GDF11延緩興奮性神經(jīng)元衰老、腦老化和維持壽命的分子機(jī)制。
