衰老敏感性分泌型磷脂酶PLA2G2F维持脂质稳态以赋予认知弹性与神经保护

《Nature Neuroscience》：An aging-sensitive secreted phospholipase confers neuroprotection and cognitive resilience

　　

认知储备理论认为，衰老过程中的代偿机制能够延缓认知衰退并降低阿尔茨海默病风险。研究人员在小鼠海马齿状颗粒细胞（dentate granule cell, DGC）突触丢失诱导因子的筛选中，鉴定出一种分泌型磷脂酶PLA2G2F，其表达在衰老过程中于DGC内升高，并与人类认知弹性相关。在DGC中敲除Pla2g2f可加剧衰老相关的病理生理改变，包括突触丢失、炎症性小胶质细胞、反应性星形胶质增生、神经发生受损、脂质失调、脂滴蓄积及海马依赖性记忆障碍。相反，在衰老过程中增强DGC内的Pla2g2f足以预防海马-皮层环路中的上述病理生理改变，保护记忆，并预防性改变认知衰退轨迹。对PLA2G2F催化位点进行突变后，脂滴动员以及反应性胶质增生和炎症性小胶质细胞的减少均被阻断。神经元来源的PLA2G2F通过介导细胞间信号传导，降低人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）来源小胶质细胞中的脂滴和胆固醇酯负荷。研究结果提示，PLA2G2F是一种代偿性神经保护广播信号，通过维持脂质稳态来对抗衰老相关的认知衰退。

**研究背景与意义**

认知储备理论认为，衰老过程中存在代偿性保护机制，可延缓认知功能下降并降低阿尔茨海默病风险。海马齿状回（dentate gyrus, DG）在情景记忆形成中发挥关键作用，其功能障碍被认为是衰老相关认知衰退及轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）的重要驱动因素。衰老过程中出现的病理生理改变包括突触丢失、脂质失调、炎症性小胶质细胞活化、反应性星形胶质增生、海马神经发生受损等。然而，究竟哪些内源性分子机制在衰老过程中发挥代偿性认知保护作用，此前尚不清楚。为阐明这一问题，研究人员开展了体内遗传筛选，并最终聚焦于一种衰老敏感性分泌型磷脂酶PLA2G2F。

**研究内容与主要结论**

研究人员通过体内遗传筛选鉴定出在小鼠海马齿状颗粒细胞突触丢失后显著上调的分泌型磷脂酶Pla2g2f。在衰老过程中，Pla2g2f在DGC中的表达逐渐升高；在人类海马单核RNA测序数据中，其表达水平亦随年龄增长而增加，并与认知弹性相关。在中年小鼠DGC中诱导性敲除Pla2g2f，可加剧衰老相关的突触丢失、炎症性小胶质细胞（CD68高表达且分枝减少）、反应性星形胶质增生、Serpina3n表达升高、脂质稳态破坏、脂滴蓄积以及海马依赖性记忆损伤。相反，在老年小鼠DGC中增强Pla2g2f表达，可有效预防上述病理生理改变并保留海马依赖性记忆；在中年小鼠中提升Pla2g2f表达还可预防性改变衰老过程中认知衰退的轨迹。研究人员构建了Pla2g2f催化失活突变体，证实PLA2G2F通过其酶活性介导神经元-胶质细胞间信号传导，调节脂滴动员和神经炎症状态。人类诱导多能干细胞（iPSC）来源的体外共培养实验进一步表明，神经元来源的PLA2G2F可通过旁分泌信号减少小胶质细胞中的脂滴和胆固醇酯（cholesterol ester, CE）负荷，促进脂质输出。脂质组学分析显示，Pla2g2f缺失导致DG内多种脂质类别（如神经酰胺、磷脂酸、磷脂酰丝氨酸等）异常升高，而增强Pla2g2f则有助于恢复脂质稳态。该研究论文发表在《Nature Neuroscience》。

**主要技术方法**

研究人员首先利用可双向调控Krüppel样因子9（KLF9）表达的诱导型遗传敲入小鼠模型，结合齿状颗粒细胞RNA测序（RNA-seq）筛选突触丢失诱导的差异表达基因。随后，采用条件性基因敲除小鼠（CamKIIα-CreERT2-Pla2g2f^f/f）、立体定位注射携带Cre或Pla2g2f过表达序列的慢病毒、逆转录病毒稀疏标记新生DGC、共聚焦显微镜树突棘形态分析、行为学测试（新物体位置任务、场景恐惧条件化、旷场实验、高架十字迷宫）等方法，在体内验证Pla2g2f的功能。此外，还使用了人类iPSC来源的兴奋性神经元类器官和微胶质样细胞（iMGL）共培养体系、基于多反应监测（MRM）和串联质谱（MS/MS）的脂质组学分析、NanoString nCounter转录组分析等关键技术。人类样本分析使用了公开发表的单核RNA测序数据集。该研究未涉及新的临床样本采集。

**研究结果**

**1. Pla2g2f表达在突触丢失和衰老过程中上调**：通过体内遗传筛选，研究人员发现Pla2g2f在DGC突触丢失后显著上调（1.93倍）。原位杂交实验表明，Pla2g2f在成年脑内表达极低，但在衰老过程中于稀疏分布的DGC中逐渐升高。人类海马单核RNA测序数据分析显示，Pla2g2f表达随年龄增长而升高，且在伴有AD病理的认知弹性个体DGC中表达水平更高，提示其可能响应早期病理改变以维持认知功能。

**2. Pla2g2f缺失加剧衰老相关病理生理改变和海马依赖性记忆损伤**：在中年小鼠DGC中敲除Pla2g2f，导致树突棘密度降低、大直径树突棘减少、成年新生DGC成熟障碍、GFAP阳性星形胶质细胞密度增加、小胶质细胞CD68水平升高且形态向阿米巴样转变、Serpina3n表达升高，并损伤新物体位置任务中的海马依赖性记忆，但不影响焦虑样行为和新物体识别能力。

**3. 增强Pla2g2f表达可逆转衰老相关病理和记忆损伤并改变认知衰退轨迹**：在中年或老年小鼠DGC中过表达Pla2g2f，可增加树突棘密度和大直径树突棘比例，降低星形胶质细胞密度和CD68水平，恢复小胶质细胞分枝形态，并保留海马依赖性记忆。增强Pla2g2f还可增加小鼠探索新环境时DG内c-FOS阳性神经元数量。在中年小鼠中提前提升Pla2g2f表达，在老年期表现出认知改善趋势。

**4. PLA2G2F水平双向调节DG衰老过程中的脂滴动员**：Pla2g2f缺失导致老年小鼠DG颗粒细胞层和分子层脂滴面积增加；Pla2g2f过表达则降低分子层脂滴面积并呈现颗粒细胞层下降趋势，表明神经元PLA2G2F以细胞自主和非自主方式调节脂滴积累。

**5. PLA2G2F催化活性对神经-胶质通讯和脂滴调节至关重要**：将催化位点保守残基G30和H48突变后，PLA2G2F丧失抑制反应性胶质增生、降低小胶质细胞CD68水平、恢复小胶质细胞形态以及减少脂滴蓄积的能力，证明PLA2G2F的酶活性是其介导神经-胶质信号传导和脂质调节所必需的。此外，DG内Pla2g2f缺失或过表达还可影响下游CA3、CA1及皮层的胶质细胞状态，提示PLA2G2F具有远程信号传导功能。

**6. 神经元PLA2G2F信号减少人类iMGL中的脂滴和CE负荷**：应用Pla2g2f过表达类器官的条件培养基处理经油酸负荷的人iPSC来源小胶质细胞，可显著降低其脂滴积累。基于MRM的脂质组学分析显示，Pla2g2f过表达类器官的条件培养基可增加小胶质细胞脂质分泌，尤其是胆固醇酯（CE 18:1）和甘油三酯的释放，并促进磷脂尤其是磷脂酰胆碱的合成与重塑，提示PLA2G2F通过促进脂滴分解和中性脂质输出减轻小胶质细胞脂质负荷。

**7. PLA2G2F对老年脑DG脂质稳态是必需的**：对Pla2g2f缺失的老年小鼠DG进行MS/MS脂质组学分析，发现神经酰胺、甘油二酯、溶血磷脂酰乙醇胺、磷脂酸和磷脂酰丝氨酸等多类脂质显著升高，多种甘油三酯、磷脂酰乙醇胺和胆固醇酯等脂质种类发生显著改变。脂质通路分析提示甘油磷脂代谢、脂肪酸代谢、血浆脂蛋白组装与清除以及磷脂在吞噬作用中的角色等通路可能受到了影响。

**8. Pla2g2f依赖性改变衰老海马的胶质和神经元基因表达**：NanoString转录组分析显示，Pla2g2f敲除小鼠海马中活化小胶质细胞、小胶质细胞神经退行性表型、疾病相关小胶质细胞和干扰素信号相关基因集上调；Pla2g2f过表达则下调这些基因集。突触相关基因集分析显示，Pla2g2f过表达上调突触后结构调控相关通路，而Pla2g2f缺失则下调突触后密度相关基因，与树突棘形态学变化一致。

**讨论总结与研究结论**

讨论部分指出，以往有关啮齿类和人类的研究提示神经活动模式重组、网络功能连接变化、大直径树突棘增加和突触基因表达改变可能构成衰老过程中功能代偿的基础，但具体分子机制一直未明。本研究发现PLA2G2F是一种神经元来源的脂质水解广播信号，在衰老过程中响应突触丢失而表达升高，通过维持脂质稳态来对抗突触丢失、神经发生受损、脂滴蓄积、胶质功能障碍和记忆损伤。研究人员认为，Pla2g2f在衰老DGC稀疏亚群中的表达升高可能由突触丢失、炎症和氧化应激触发，并且该酶通过非细胞自主方式发挥作用，可能涉及多不饱和脂肪酸和溶血磷脂介导的细胞间通讯。脂质组学数据提示PLA2G2F在磷脂酰乙醇胺代谢中的重要作用，并可能通过磷脂重塑抑制铁死亡。LIGER分析预测的多个基因如CDS1、CHPT1、CEPT1等是脂滴生长调控因子，进一步支持PLA2G2F在维持脂质稳态中的核心作用。研究人员强调，增强内源性认知弹性机制（如PLA2G2F功能）可能为保持健康脑衰老轨迹、降低MCI和晚发性AD风险提供新的治疗策略。研究中还指出了在细胞类型特异性脂质组学、脂肪酸介质检测以及样本量等方面的局限性。结论部分翻译如下：研究结果直接阐明了一种分泌型磷脂酶如何作为代偿性分子弹性机制，通过改变DG的脂质景观来影响衰老过程中的认知轨迹；增强PLA2G2F功能可能有助于保持健康脑衰老并降低衰老相关神经退行性疾病的风险。