衰老大腦的“斷舍離”危機(jī)！《Nature》：神經(jīng)元蛋白滯留！

在大腦衰老和神經(jīng)退行性疾病的研究中，一種常見(jiàn)的提問(wèn)方式是：是哪一種蛋白出了問(wèn)題？

對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解答推動(dòng)了很多重要的發(fā)現(xiàn)，比如β淀粉樣蛋白（Aβ）和Tau蛋白的研究。但也在無(wú)形中掩蓋了另一個(gè)也許更關(guān)鍵的維度：衰老首先改變的，或許并不是“哪種蛋白”，而是蛋白更新這個(gè)過(guò)程本身。

而當(dāng)目光不再糾結(jié)于單個(gè)蛋白，那些更基礎(chǔ)、卻更難回答的問(wèn)題就浮現(xiàn)了出來(lái)[1]。

蛋白穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的“時(shí)間戳”

在面對(duì)這些問(wèn)題之前，我們要先了解神經(jīng)元面臨的特殊處境。

與皮膚或血液細(xì)胞不同，絕大多數(shù)成熟的神經(jīng)元是“終身不分裂（Post-mitotic）”的細(xì)胞。這意味著，它們無(wú)法通過(guò)細(xì)胞分裂來(lái)稀釋細(xì)胞內(nèi)的代謝廢物或受損蛋白。于是為了維持長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的功能，神經(jīng)元必須依賴一套極高效率的蛋白穩(wěn)態(tài)（Proteostasis）系統(tǒng)——即一邊快速合成新蛋白，一邊精準(zhǔn)清除舊蛋白。

圖注：蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)[2]

可以說(shuō)，這種蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡，是神經(jīng)元生存和維持功能的底線。

然而，衰老無(wú)情地打破了這種平衡：隨著年齡增長(zhǎng)，錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)無(wú)法被及時(shí)清除，它們的累積，成為神經(jīng)退行性疾病的重要病理基礎(chǔ)。

把目光聚集到這個(gè)過(guò)程，擺在我們面前的就是三個(gè)“直擊靈魂”的問(wèn)題：

? 是誰(shuí)出了問(wèn)題：有哪些蛋白在衰老過(guò)程中發(fā)生了變化？

? 問(wèn)題出現(xiàn)在哪里：這個(gè)失衡是普遍的，還是某個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)或者突觸出了問(wèn)題？

? 蛋白去了哪里：那些積壓下來(lái)的陳舊蛋白，是堆在了原地、還是被轉(zhuǎn)移或處理？

為了解答這些問(wèn)題，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套精密的標(biāo)記系統(tǒng)——細(xì)胞特異性生物正交非天然氨基酸標(biāo)記技術(shù)（Cell-specific BONCAT）。

圖注：該實(shí)驗(yàn)流程圖

不必被這個(gè)很長(zhǎng)的名字嚇到。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，科學(xué)家給某一個(gè)時(shí)刻神經(jīng)元生產(chǎn)的所有蛋白打上了一個(gè)“時(shí)間戳”。于是在之后的研究中，研究人員不僅可以在顯微鏡下看到它們，還能將這批蛋白單獨(dú)提取出來(lái)進(jìn)行清點(diǎn)。這樣，我們就可以在復(fù)雜的腦環(huán)境中，對(duì)它們的“生老病死”進(jìn)行一場(chǎng)精準(zhǔn)的追蹤。

停滯的降解和堆積的廢墟

利用這一追蹤系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)比了不同月齡小鼠神經(jīng)元蛋白的命運(yùn)。

結(jié)果驚人地直觀：衰老顯著減慢了神經(jīng)元蛋白的降解速度。年輕小鼠中，蛋白質(zhì)被快速地合成、使用、降解回收，而老年組的降解時(shí)間則幾乎翻了一倍。例如，原本使用壽命約為2天的蛋白，它在衰老的神經(jīng)元中可能會(huì)被迫滯留5天。

圖注：圖像展示了不同組小鼠神經(jīng)元蛋白質(zhì)的剩余比例，參考紅色輔助線，在青年組蛋白質(zhì)剩余50%時(shí)，老年組還有約70%，可見(jiàn)老年組蛋白質(zhì)的清理速度大幅下降

更壞的是，這種“遲滯”不是均勻分布的，在負(fù)責(zé)記憶的海馬體和負(fù)責(zé)感知的感覺(jué)皮層中，這種停滯尤為嚴(yán)重。這在分子層面解釋了為什么在衰老的過(guò)程中，我們最先丟失的往往是記憶和鮮活的感知。

進(jìn)一步分析這些“滯留”的蛋白質(zhì)成分發(fā)現(xiàn)，突觸蛋白首當(dāng)其沖。這些負(fù)責(zé)在神經(jīng)元之間傳遞電信號(hào)、維持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接的關(guān)鍵分子，由于無(wú)法及時(shí)更新而逐漸在細(xì)胞內(nèi)堆積。

就像堆積過(guò)久的垃圾會(huì)發(fā)臭一樣，這些滯留的陳舊蛋白會(huì)形成有害的聚集體。

圖注：綠色熒光為蛋白質(zhì)聚集體，可以在老年組的神經(jīng)元中看到大量熒光

研究人員在老年神經(jīng)元中分離出高達(dá)1726種形成不溶性聚集體的蛋白質(zhì)，并命名為“老年神經(jīng)元聚集組”。對(duì)比聚集組和前面的“更新變慢名單”，兩者有著極高的重合度。尤其是那些關(guān)鍵的突觸蛋白，大量變成了充斥在細(xì)胞內(nèi)的“不可回收垃圾”。

而在神經(jīng)元內(nèi)部如此不堪重負(fù)的情況下，這些滯留的“有毒庫(kù)存”，最終會(huì)流向哪里呢？

跨細(xì)胞的“接盤(pán)”

它們?nèi)ネ松窠?jīng)元的鄰居——小膠質(zhì)細(xì)胞。

雖然我們?cè)缇椭溃∧z質(zhì)細(xì)胞通常扮演著“清潔工”的角色，負(fù)責(zé)清理死亡細(xì)胞的碎片。但在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家卻觀察到了一個(gè)更為驚人的現(xiàn)象：在老年小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞中，檢測(cè)到了大量源自神經(jīng)元的蛋白質(zhì)。

圖注：綠色為小膠質(zhì)細(xì)胞，紅色是被BONCAT標(biāo)記的神經(jīng)元蛋白，圖像展示了小膠質(zhì)細(xì)胞“吞噬”蛋白的過(guò)程

注意，在這里小膠質(zhì)細(xì)胞做的不是“收尸”的工作，而是在神經(jīng)元還活著但不堪重負(fù)時(shí)，就已經(jīng)介入“接手”了大量的蛋白。

仔細(xì)清點(diǎn)這些蛋白的名單，研究人員再次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意味深長(zhǎng)的重合：小膠質(zhì)細(xì)胞接手的神經(jīng)元蛋白中，正包含了大量更新受阻、形成聚集體的突觸蛋白。

圖注：分析三份蛋白名單，發(fā)現(xiàn)了大量且顯著的重合

這足以說(shuō)明，小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)動(dòng)的這場(chǎng)清理，絕不是隨機(jī)的。

可這種機(jī)制既是救贖，也可能是詛咒。

一方面，小膠質(zhì)細(xì)胞試圖幫助不堪重負(fù)的神經(jīng)元清除有害的聚集體；但另一方面，它們同時(shí)消除了承載記憶連接的突觸本身。

我們知道，衰老的大腦常伴隨著顯著的突觸丟失，可今天的這篇《Nature》卻似乎在告訴我們，這是我們自己主動(dòng)做出的“犧牲”。只是在衰老的大腦中，這種犧牲變得有些過(guò)于沉重了。

結(jié)語(yǔ)

神經(jīng)元為了生存，拼盡全力維持著蛋白的更新，卻敗給了時(shí)間的磨損；小膠質(zhì)細(xì)胞為了維護(hù)大腦環(huán)境的整節(jié)，主動(dòng)吞噬鄰居積壓的廢棄物，卻無(wú)意間帶走了承載記憶的突觸。這種因果糾纏，向我們展現(xiàn)了“突觸丟失”和“認(rèn)知衰退”背后的殘酷真相。

在這個(gè)故事里，似乎沒(méi)有絕對(duì)的反派。

但看見(jiàn)真相，往往是改變的開(kāi)始。