供者成纤维细胞分为直接转分化和经 iPSC 途径两支,说明前者保留更多年龄相关表达,后者多数年龄信号重置。
两种细胞来源的神经元年龄特征比较示意。(NAMs China)

研究比较不同细胞来源的年龄特征

索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)等团队在 Cell Stem Cell 报道了不同年龄供者的人源神经元模型研究。作者比较两条建模途径:先将细胞转为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)再分化,或直接由成纤维细胞转为诱导神经元(induced neurons,iNs)。他们关注细胞模型能否保留供者年龄特征,因为年龄是晚发神经疾病的重要背景。

研究采集了 19 位 0–89 岁供者的皮肤成纤维细胞,其中 16 株用于建立 iPSC 系。直接转分化神经元的转录分析包括 18 位供者的 22 份样本;部分供者贡献了多份独立转分化样本。

直接转分化神经元保留更多年龄相关表达

研究按低于 40 岁和高于 40 岁对样本分组。原成纤维细胞中检出 78 个年龄相关差异表达基因;iPSC 重编程后,同一分组比较只检出 1 个。

所建 iPSC 仍表现出典型多能性标志,G 带核型检查未见异常。

直接转分化神经元中检出 202 个年龄相关差异表达基因,涉及钙稳态、神经突起及突触可塑性相关过程。其中只有 7 个与成纤维细胞的年龄相关基因重叠,显示不同细胞类型的年龄表达特征并不相同。

为减少残留成纤维细胞对 RNA 测序的干扰,研究者在分析前富集神经元。富集后超过 90% 的人源细胞表达 βIII-tubulin,其中超过 95% 同时表达 hTau。离子通道和突触蛋白表达上升,成纤维细胞及细胞周期相关基因下降。

前额叶组织提供额外参照

团队还分析了 14 份 0–89 岁的人前额叶组织。脑组织与直接转分化神经元共有 49 个年龄相关基因,重叠数约为神经元与成纤维细胞之间的 7 倍。

脑组织、成纤维细胞和直接转分化神经元共有 3 个年龄相关基因,RanBP17 是其中之一。定量 PCR、蛋白质印迹和组织染色均支持 RanBP17 表达随年龄增加而下降;组织染色使用 10 份脑样本。

前额叶组织中的 RNA 来自神经元、胶质、内皮等多类细胞。作者将脑组织作为组织层面参照,与供者来源的细胞进行比较,查看哪些年龄相关变化在不同材料中都能观察到。

年长供者细胞的核与胞质分区减弱

作者用双荧光报告指标观察蛋白在细胞核和细胞质之间的分布。对 16 位供者成纤维细胞的分析显示,年长组更常出现绿色信号进入细胞核、红色信号出现在细胞质的情况;这一指标与供者年龄及 RanBP17 表达相关。

该指标比较细胞核内绿色和红色荧光的相对强度。年长组比值升高,表示核与胞质原有的分布区隔减弱。培养 6 周的直接转分化神经元也出现年龄相关差异,分析覆盖 14 位供者,最高年龄组最明显。

另一种活细胞荧光测量也显示,年长供者成纤维细胞中的报告探针在细胞核与细胞质间穿梭更慢,为这一功能变化提供了另一项观察。

iPSC 来源神经元仍呈较年轻的指标特征

为检查年龄相关表达信号是否会在 iPSC 分化后恢复,作者比较了同一供者子集。在这组数据中,iPSC 来源神经元有 12 个年龄相关差异表达基因,直接转分化神经元有 227 个;这是子集分析,与前文完整队列的 202 个基因不是同一分母。

另一项 iPSC 来源细胞的核与胞质定位比较未见明显年龄组差异。作者据此认为,经过多能状态后,细胞在本研究测量的年龄相关指标上仍呈较年轻的状态。

电生理结果没有显示年龄组差异

来自年轻和年长供者的直接转分化神经元均可检测到钠、钾通道相关电流,并可诱发多个动作电位。涉及 13 位供者的比较未显示明显年龄组差异;转录和核质定位指标则检出了年龄相关变化。

作者认为,iPSC 重编程所伴随的细胞年轻化可能影响晚发神经疾病的体外建模;直接转分化则提供了另一种保留部分供者年龄特征的模型来源。本研究比较的是模型状态和功能,没有筛选治疗候选药物。

来源与延伸阅读

  1. Directly Reprogrammed Human Neurons Retain Aging-Associated Transcriptomic Signatures and Reveal Age-Related Nucleocytoplasmic Defects. Cell Stem Cell. 2015. DOI: 10.1016/j.stem.2015.09.001 ↗