环境富集对神经三维染色质互作组的年龄依赖性调控机制及其在脑健康中的作用

本研究通过低输入启动子捕获Hi-C(liCHi-C)技术，首次揭示了小鼠海马神经元三维染色质互作组(3D chromatin interactome)随年龄变化的特征，并发现环境富集(EE)对年轻和老年小鼠分别产生"促成熟"和"神经 rejuvenation"的双向调控作用。研究发现Selenow等关键基因的染色质环(Chromatin loop)重构与年龄相关表达变化密切相关，为理解脑衰老和神经可塑性提供了新的表观遗传学视角。

　　

随着年龄增长，大脑会经历复杂的分子水平变化，但科学家们对衰老过程中三维基因组结构的动态变化及其调控机制仍知之甚少。更令人好奇的是，外界环境刺激能否改变这种与年龄相关的染色质结构变化？西班牙国家研究委员会的Javier Gancedo-Verdejo团队在《Cell Reports》发表的研究，首次系统揭示了环境富集(Environmental Enrichment, EE)对海马神经元三维染色质互作组的年龄依赖性调控作用。

研究采用9周龄(年轻)和17月龄(老年)C57BL/6JRj雄性小鼠，通过荧光激活核分选(Fluorescence-Activated Nucleus Sorting, FANS)技术纯化NeuN⁺神经元核，结合低输入启动子捕获Hi-C(Low input Promoter Capture Hi-C, liCHi-C)和RNA测序技术，构建了年轻与老年小鼠海马神经元的全基因组染色质互作图谱。研究人员设计了两组平行实验：一组比较年轻与老年对照小鼠，另一组则分别分析年轻和老年小鼠在EE干预后的变化。

研究首先发现年龄显著影响染色质互作模式。老年小鼠相比年轻小鼠，其染色体间(trans)互作减少，特别是11号和9号染色体间的互作明显减弱。在顺式(cis)互作方面，老年小鼠每个启动子的互作数量显著降低，其中13号染色体上的启动子互作最为丰富。通过Chicdiff分析鉴定出9，740个年龄相关的差异互作，其中5，162个互作增强，4，578个互作减弱。值得注意的是，与双价启动子(同时带有H3K4me3和H3K27me3标记)相关的互作在衰老过程中显著减少，这些启动子调控的基因表达也普遍下调。

转录组分析显示，老年小鼠有806个基因上调，1，286个基因下调。基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis, GSEA)发现下调基因主要与端脑细胞和胶原形成相关，而上调基因则与神经元标记物和神经递质有关。特别引人注目的是Selenow基因的变化——该基因在衰老过程中形成了新的染色质环，其表达也相应上调。考虑到Selenow具有抗氧化应激和抑制tau蛋白聚集的神经保护作用，这一发现可能为理解脑衰老的分子机制提供了新线索。

环境富集实验揭示了令人惊讶的年龄依赖性效应。在年轻小鼠中，EE促进了类似衰老的染色质互作变化：2，116个互作减少，1，531个互作增加，且这些变化与衰老相关的互作呈现显著正相关。而在老年小鼠中，EE则部分逆转了年龄相关的互作变化：3，706个互作减少，3，212个互作增加，与衰老变化呈负相关。这种双向调控在分子水平上表现为：年轻小鼠EE后双价启动子数量增加至接近老年水平，而老年小鼠EE后则恢复至接近年轻水平。

在基因水平上，这种年龄依赖性效应同样明显。年轻小鼠EE后有869个差异表达基因(Differentially Expressed Genes, DEGs)，而老年小鼠仅有24个。神经元源性神经营养因子(Neuron-derived neurotrophic factor, Ndnf)在年轻小鼠中随EE和衰老均表现出互作减少和表达下调；而嘌呤受体P2rx5在老年小鼠中则显示出EE对衰老变化的逆转效应。这些发现表明，EE对年轻大脑可能起到"促成熟"作用，而对老年大脑则表现出"神经 rejuvenation"效果。

这项研究首次绘制了年龄和环境因素对神经元三维基因组结构的调控图谱，为理解脑发育和衰老提供了新的表观遗传学视角。研究发现环境富集能年龄依赖性地重塑染色质互作组：在年轻个体中促进脑成熟相关的互作变化，在老年个体中则逆转部分衰老相关的互作改变。这种双向调控机制不仅深化了我们对神经可塑性分子基础的认识，也为开发针对年龄相关认知衰退的干预策略提供了理论依据。特别是Selenow等关键基因的染色质结构-功能关联的发现，为研究神经退行性疾病的表观遗传调控开辟了新途径。