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吴海涛实验室揭示Rack1调控神经干细胞衰老和皮层发育新机制

已有 972 次阅读 2021-9-1 09:27 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年8月31日晚23时,军事医学研究院吴海涛实验室Cell Reports杂志在线发表了封面研究论文—“Rack1 is essential for corticogenesis by preventing p21-dependent senescence in neural stem cells”。


文章揭示了在神经干细胞发育早期,蛋白激酶C受体Rack1可通过直接结合Smad3,抑制其介导的p21上调和细胞衰老通路过度激活,在维持神经干细胞存活、分化和皮层发育进程中发挥关键调控作用。


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神经干细胞(NSCs)是决定大脑复杂细胞类型发生和结构形成的重要基础。遗传、药物或病毒等因素导致NSCs发育缺陷或受损可导致多种发育性神经精神疾病的发生,如小头症、无脑回症和唐氏综合征等。细胞衰老是伴随细胞增殖、分化和生理功能下降过程中发生的不可逆的衰退现象,通常出现细胞周期阻滞、促炎因子水平增加和再生能力下降等现象。既往有关细胞衰老的研究大多聚焦于机体老化及相关退行性疾病,近年来研究发现,在胚胎发育早期也存在一种发育性细胞衰老的现象,但胚胎期神经干细胞衰老的病理生理学意义及其信号机制仍不甚明了。


在本项研究中,研究人员首先构建了大脑皮层发育早期前额叶特异性敲除Rack1的Emx1-Cre;Rack1f/f cKO突变小鼠,该小鼠可在脑室和脑室下区(VZ/SVZ发育早期的NSCs中特异性敲除Rack1,结果发现突变小鼠呈现出皮层发育不良、海马缺失和胼胝体左右连接中断等小头症样缺陷表型,提示Rack1在调控大脑皮层胚胎期NSCs存活和发育中可能扮演重要角色。进一步,对Rack1缺失的NSCs进行RNA-seq分析发现衰老通路相关基因(p21, p16, Hmga2, Cd44等)表达显著上调趋势,并伴随衰老相关的分泌表型(SASP)表达增加,提示NSCs中缺失Rack1可诱导其进入衰老状态。


进一步借助衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)特异性染色方法,在Emx1-Cre;Rack1f/f cKO突变小鼠大脑VZ/SVZ区的NSCs中的确发现大量SA-β-Gal+衰老细胞,并伴随Iba1+小胶质细胞大量激活。生化实验表明,衰老相关分子p21,磷酸化Smad3和去磷酸化Rb水平均显著上调。为进一步回答p21上调介导的衰老信号通路激活在Rack1突变小鼠表型中的作用,实验人员又构建了Emx1-CreRack1f/f cKOp21-/-双突变小鼠进行功能挽救实验结果表明,该双突变小鼠可显著挽救Rack1突变小鼠皮层发育不良和海马缺失等缺陷从而证明p21介导的细胞衰老信号通路激活在诱导Rack1缺失的NSCs衰老中发挥核心调控作用。


最后,为了回答Rack1缺失是如何诱导p21依赖性衰老信号激活的问题,研究人员借助蛋白质谱、生物大分子计算机拟、生化和小鼠胚胎颅内电转等技术方法,确定了Rack1蛋白WD6WD7结构域之间linkerLys264, IIe265IIe266三个氨基酸位点在介导Rack1Smad3结合和抑制NSCs衰老中发挥重要调控功能(图1


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图1. Rack1调控大脑皮层发育和神经干细胞衰老的作用模式图


该研究揭示了胚胎期NSCs衰老与大脑皮层发育之间的密切关系,证实了NSCs中Rack1缺失诱发的异常衰老可导致小头症样缺陷表型,且依赖于TGF-β1/Smad和p21介导的衰老信号通路过度活化。本研究不仅为理解小头症等发育性神经精神疾病的致病机制提供了新的视角,与此同时,对深入理解成体NSCs衰老在神经退行性病变发生中的作用机制也具有参考价值。

 

军事医学研究院2016级博士生朱倩(现南京医科大学博士后)和助理研究员陈丽萍博士为论文共同第一作者,军事医学研究院吴海涛研究员为通讯作者。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109639




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