组蛋白变体H2BE在大脑中的年龄和细胞类型特异性作用及其对认知功能的影响

《Cell Reports》：Age- and cell-type-specific effects of histone variant H2BE in the brain

本研究针对组蛋白变体H2BE在神经胶质细胞中的作用及其随年龄变化的机制尚不明确的问题，通过单核RNA测序、CUT&Tag等技术，发现H2BE在星形胶质细胞中富集并随年龄积累，调控突触相关基因表达。结果表明H2BE缺失会损害长期记忆但改善工作记忆，揭示了组蛋白变体通过调控神经元和星形胶质细胞中年龄相关基因表达变化影响认知衰老的新机制。

　　

当我们谈论大脑衰老时，往往关注神经元的变化，但科学家们发现星形胶质细胞在脑功能中同样扮演关键角色。组蛋白变体作为染色质结构的重要调节因子，在神经系统中具有独特作用，其中H2BE是哺乳动物中除生殖系统外唯一被功能表征的H2B变体。此前研究主要集中在H2BE对神经元的影响，而其在其他脑细胞类型及整个生命周期中的作用仍是未知领域。

研究人员通过多种前沿技术手段揭示了H2BE的新功能。主要技术方法包括：单核RNA测序分析年轻和年老小鼠皮层组织的细胞类型特异性基因表达；CUT&Tag测序技术绘制H2BE在全基因组中的定位；微电极阵列记录评估神经元-星形胶质细胞共培养体系的突触功能；免疫组织化学和蛋白质质谱分析H2BE的细胞分布和年龄相关变化；行为学测试评估H2BE缺失对老年小鼠认知功能的影响。

H2BE在星形胶质细胞中富集并定位于活性启动子区域

研究发现H2BE转录本在星形胶质细胞中显著富集，且H2BE蛋白在星形胶质细胞和神经元中均有表达。通过免疫荧光染色证实，几乎100%的星形胶质细胞都表达H2BE，且其水平显著高于神经元。在培养的星形胶质细胞中，CUT&Tag测序显示H2BE高度富集于核心启动子区域，与染色质可及性和基因表达水平呈正相关。这些发现首次证明了核心组蛋白变体在星形胶质细胞中的表达，突破了以往认为组蛋白变体主要作用于神经元的局限。

H2BE随年龄在大脑中积累

分析显示H2BE转录本和蛋白水平均随年龄增长而增加，这是唯一在衰老星形胶质细胞中诱导表达的H2B基因。质谱分析表明，尽管H2BE仅占皮层总H2B蛋白的一小部分，但其随年龄的积累具有统计学显著性。对不同年龄小鼠皮层进行的CUT&Tag测序显示，H2BE在启动子区域的富集随年龄增强。免疫组化结果进一步证实，H2BE在星形胶质细胞、神经元及其他细胞中的水平均随年龄显著上升。

H2BE促进年轻和年老神经元及星形胶质细胞中的突触基因表达

单核RNA测序分析发现，H2BE缺失导致大多数神经元和非神经元集群中出现差异表达基因，且在年老神经元中影响更为显著。在兴奋性神经元和抑制性神经元中，H2BE缺失下调的基因均富集于突触组织和信号传导相关功能。星形胶质细胞中虽然年轻和年老个体的差异表达基因重叠较少，但H2BE缺失同样导致支持突触功能的基因下调，包括那些编码定位于突触的蛋白质基因，如Magi2。

H2BE对正常突触功能在神经元和星形胶质细胞中都是必需的

微电极阵列记录显示，在神经元、星形胶质细胞或两者中缺失H2BE都会导致神经元放电率、爆发频率和网络爆发频率受损。这些结果表明，H2BE在两种细胞类型中对正常的突触放电都是必需的，H2BE缺失引起的转录组破坏会导致神经元活动的功能性改变。

H2BE缺失减弱年龄相关转录变化

比较年轻和年老细胞中的差异表达基因发现，H2BE缺失显著减少了年老神经元和星形胶质细胞中与年龄相关的转录变化数量。在兴奋性神经元、抑制性神经元和星形胶质细胞中，H2BE缺失均减弱了衰老引起的基因表达变化，表明H2BE在驱动年龄相关转录改变中起关键作用。

年轻大脑中H2BE缺失模拟年龄相关基因表达影响，而年老大脑中H2BE缺失产生混合效应

在年轻兴奋性神经元中，H2BE缺失下调的基因与年老野生型神经元中下调的基因高度重叠，表明年轻神经元中H2BE缺失诱导了与野生型环境中衰老诱导的转录变化相似的转录反应。相反，在年老神经元中，H2BE缺失既增强又逆转了部分衰老诱导的转录变化。星形胶质细胞中观察到更显著的变化，年轻H2BE缺失星形胶质细胞的基因表达模式与年老野生型相似。

H2BE差异影响老年小鼠的工作记忆和长期记忆

行为学测试显示，H2BE缺失对老年小鼠的焦虑样行为或整体活动水平没有影响。在T迷宫工作记忆测试中，H2BE缺失小鼠的自发交替率显著更高，表明工作记忆改善。而在情境和线索恐惧条件测试中，H2BE缺失小鼠在24小时和14天情境回忆以及48小时线索回忆期间的冻结行为减少，表明长期记忆受损。这些发现与H2BE缺失在年老大脑中复杂的基因表达效应相呼应。

研究结论与意义

本研究系统阐明了组蛋白变体H2BE在大脑衰老过程中的细胞类型特异性和年龄依赖性功能。研究发现H2BE在星形胶质细胞中高度富集，并随年龄在神经元和星形胶质细胞中积累，挑战了组蛋白变体主要作用于神经元的传统认知。H2BE通过促进突触相关基因表达，在维持正常突触功能中发挥关键作用，且这种作用在神经元和星形胶质细胞中均存在。

特别值得注意的是，H2BE缺失在年轻大脑中模拟衰老相关的转录变化，而在年老大脑中产生复杂效应，部分逆转年龄相关转录改变。这种行为学上表现为长期记忆受损但工作记忆改善的双向效应，为理解表观遗传调控在认知衰老中的作用提供了新视角。

该研究的创新点在于首次全面揭示了H2BE在星形胶质细胞中的功能，阐明了组蛋白变体积累的细胞类型特异性规律，并建立了H2BE与年龄相关认知变化之间的直接联系。这些发现不仅拓展了对组蛋白变体生物学功能的认识，也为理解大脑衰老的分子机制和开发相关干预策略提供了重要理论基础。