Nature | 衰老导致神经元蛋白降解变慢、蛋白聚集加速并重塑神经元—小胶质细胞之间的稳态平衡|神经元|线粒体|胶质细胞|蛋白聚集

撰文 | 阿童木

衰老的一个核心分子特征是蛋白质稳态（proteostasis）的逐步失衡。随着年龄增长，这一精密调控网络在多个层面受到扰动：翻译与降解不再匹配，分子伴侣和蛋白运输体系效率下降，错误折叠与异常聚集逐渐累积【1】。

中枢神经系统中，蛋白质稳态的脆弱性尤为突出。神经元高度分化、更新能力有限，同时对蛋白质功能依赖极强，因此稳态失衡往往直接表现为突触功能受损和神经回路紊乱，进而引发与年龄相关的认知和运动能力下降，并显著增加神经退行性疾病的发生风险【2】。

因此，解析神经元蛋白质稳态在衰老过程中的动态变化，被认为是理解脑衰老机制并识别潜在干预靶点的关键。然而，尽管蛋白质组学和代谢标记技术不断进步，在哺乳动物体内以细胞类型特异的方式追踪蛋白质合成与更新，长期受限于缺乏稳定、可靠且可操作的实验模型，这一技术瓶颈显著制约了相关研究的推进。

近日，斯坦福大学 Tony Wyss-Coray 实验室等在

Nature

杂志发表了题为

Ageing promotes microglial accumulation of slow-degrading synaptic proteins

的研究文章，通过神经元特异的BONCAT标记体系系统监测了不同脑区神经元蛋白的更新与降解特征。结果显示，衰老过程中神经元蛋白整体半衰期显著延长，并形成一个富集突触蛋白的 “ 衰老神经元聚集组 ” 。这些蛋白不仅在神经元内降解受阻，还大量转移并积累于小胶质细胞中，提示衰老可能通过减慢蛋白更新、促进聚集倾向，并驱动突触相关的清除过程，重塑神经元—小胶质细胞之间的稳态平衡。

基于先前的体外研究【3】，作者构建了两款新的生物正交非经典氨基酸标记（BONCAT）敲入小鼠模型（PheRS*和TyrRS*）。在Camk2a驱动的神经元特异表达模型中， PheRS*系统显示出最强的标记能力。通过凝胶荧光、组织染色和LC–MS分析，共检测到3787种被有效标记的蛋白，其信号显著高于背景，且未引发可检测的蛋白质稳态应激或小胶质细胞增生。相比之下，TyrRS*和MetRS* 系统在神经元中的标记效率明显较低。在全身性表达条件下，三种BONCAT系统的标记强度随组织类型而变化，提示其效率可能受到tRNA丰度、细胞代谢状态等因素的影响，在不同组织环境中各具应用优势。

在Camk2a-cre;PheRS*小鼠中，所标记的蛋白质组以神经元蛋白为主，仅有少量来自其他细胞类型。这些蛋白富集谷氨酸能神经元标志基因，且覆盖轴突、树突、突触前后区室等主要神经元结构。对运动皮层、纹状体和海马区进行区域蛋白质组分析显示， 3 个脑区共享3054种蛋白，但各自仍保留276–338种区域特异蛋白。主成分分析、层次聚类和热图分析能够清晰区分不同脑区，免疫染色进一步验证了区域富集蛋白的空间分布，基因本体分析则揭示了各脑区在生物通路层面存在功能特化。

为研究衰老过程中的蛋白更新特征，作者开发了AAV:Camk2a-PheRS*载体，使老年小鼠神经元蛋白得以高效标记，其效果与敲入模型相当。结合脉冲-追逐实验与LC–MS定量分析，作者发现神经元蛋白降解速率随衰老显著减慢，这一变化在中年后逐渐显现。从青年到老年阶段，神经元蛋白的平均半衰期约增加一倍。皮层中半衰期增加最多的蛋白富集于突触、细胞连接和线粒体，这些结构在衰老和痴呆中易受损。许多半衰期延长的蛋白由神经发育或退行性风险基因编码，跨脑区比较显示共享蛋白半衰期变化存在区域差异，可能参与塑造不同脑区对衰老的易感性或抵抗力。

由于单一半衰期指标难以完整反映复杂的降解过程，研究进一步对蛋白降解轨迹进行聚类分析。以青年感觉皮层为例，蛋白降解曲线可分为五个主要聚类，各聚类在平均轨迹形态和下降斜率上均存在显著差异。每个聚类的基因本体富集结果高度集中，通常对应一到两个主要生物过程。这一模式在其他脑区同样成立，提示功能相关的蛋白其降解速率往往趋于一致，这与多蛋白复合体中蛋白半衰期趋同的既有观察相符。

进一步比较不同脑区降解轨迹随年龄的变化，研究发现视觉皮层和下丘脑在中年阶段已出现明显的蛋白降解缺陷，感觉皮层中与突触传导相关的聚类受衰老影响最为显著，而代谢过程相关聚类相对稳定。这一分析推广至所有脑区后显示，多数聚类变化幅度相近，但仍存在少数对衰老高度敏感或相对耐受的生物过程。

衰老导致的蛋白降解减缓是否与蛋白聚集有关，是研究进一步关注的问题。小鼠和人类老年大脑中均可观察到神经元蛋白聚集增加，而此类聚集往往与多种年龄相关脑病密切相关。通过结合聚集体分离与神经元BONCAT标记，作者在衰老大脑中鉴定出1726种参与聚集的神经元蛋白（包括TDP43、FUS、NSF等已知神经退行性疾病相关蛋白），其中392种此前已在老年人类大脑聚集物中被报道。RTN3和SRSF3通过免疫荧光在老年小鼠海马区被证实形成泛素和p62标记的聚集结构。约69%的聚集蛋白由已知疾病风险基因编码，且显著富集于突触等亚细胞区室。

进一步分析显示，在衰老过程中降解速率降低的蛋白中，有46.8–54.6%同时参与聚集。其中54种蛋白在所有脑区均表现出“降解减慢—聚集增加”的双重特征，另有若干蛋白在部分脑区呈现相同趋势，提示许多蛋白以脑区非依赖的方式对衰老高度敏感。值得注意的是，在多数脑区中，聚集蛋白的平均半衰期略短于未聚集蛋白，这与短寿命蛋白更易形成异常聚集的现象相符。整体而言，这些结果表明蛋白聚集是衰老过程中蛋白降解受阻的重要因素之一。

小胶质细胞能够通过吞噬和处理神经元蛋白维持神经元稳态。作者在青年和老年小鼠中标记神经元蛋白后，从全脑分离小胶质细胞，并对其中富集的标记蛋白进行LC–MS分析。结果发现，多种神经元来源蛋白在小胶质细胞内积累，部分蛋白携带信号肽或为外泌体载荷，提示可能通过分泌途径转移，而 CALR等分子则支持吞噬过程的参与；约54%的蛋白定位于溶酶体，表明其最终命运多为降解。

这些在小胶质细胞中累积的神经元蛋白主要来源于突触、膜和线粒体区室，涵盖突触前和突触后多个功能模块，并与既有小鼠和人类小胶质细胞蛋白质组数据高度重叠。相比青年小鼠，老年小胶质细胞中积累的神经元蛋白种类和丰度均显著增加。尽管突触前后蛋白比例未发生明显改变，但老年小胶质细胞中富集的神经元蛋白有53.5%同时表现出年龄相关的稳态缺陷（降解减缓或聚集）。这三类蛋白集合的重叠程度显著高于随机预期，其中大量分子为突触蛋白，部分与痴呆等神经退行性疾病密切相关。因此，小胶质细胞特异性积累异常神经元蛋白可能是维持神经元蛋白质稳态的机制。

综上所述，本研究通过神经元特异的体内蛋白标记与定量分析，系统揭示了衰老如何重塑神经元蛋白更新与清除的动力学格局。衰老并非简单导致蛋白“积累”，而是通过选择性减慢降解、促进聚集，并将异常蛋白转移至小胶质细胞，逐步改变突触稳态和细胞间分工。这一过程可能在短期内缓解神经元内在压力，却以突触丢失和小胶质细胞负担加重为代价，为年龄相关的突触退化和认知衰退提供了一个连贯的分子解释框架。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09987-9

制版人：十一

参考文献

1. López-Otín, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M. & Kroemer, G. The hallmarks of aging.Cell153, 1194–1217 (2013).

2. Hetz, C. Adapting the proteostasis capacity to sustain brain healthspan.Cell184, 1545–1560 (2021).

3. Yang, A. C. et al. Multiple click-selective tRNA synthetases expand mammalian cell-specific proteomics.J. Am. Chem. Soc.140, 7046–7051 (2018).

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（*排名不分先后）