FGF13通过Phafin2信号通路调控内侧前额叶皮质星形胶质细胞功能延缓小鼠脑衰老

《Aging Cell》：FGF13 Alleviates the Aging Process in Mice by Regulating Astrocyte Function in the Medial Prefrontal Cortex via Phafin2 Signaling Pathway

　　

衰老是内在生物学过程；具体而言，脑衰老导致认知下降、记忆丧失及多种神经退行性疾病（neurodegenerative diseases）。成纤维细胞生长因子13（fibroblast growth factor 13, FGF13）表达于中枢神经系统（central nervous system, CNS），并在若干神经病理状态中发挥关键作用；然而FGF13在脑衰老中的具体作用仍不清楚。在本研究中，研究人员通过筛选公共基因表达数据库发现，FGF13在衰老小鼠和猕猴脑组织中显著下调，尤其在内侧前额叶皮质（medial prefrontal cortex, mPFC）和星形胶质细胞（astrocytes）中。皮质星形胶质细胞特异性敲除FGF13加速小鼠衰老表型并损害神经功能。相反，过表达FGF13有效延缓衰老进程并改善衰老诱导的认知障碍（cognitive impairment）。RNA测序（RNA-seq）分析表明，FGF13主要影响星形胶质细胞介导的炎症反应和细胞自噬（autophagy）。机制上，FGF13靶向并结合Phafin2，促进星形胶质细胞自噬。稳态星形胶质细胞不仅改善神经元损伤，还减少微胶质细胞（microglia）释放炎症因子，在缓解小鼠衰老进程中起关键作用。总之，FGF13通过调控星形胶质细胞功能改善脑微环境，最终发挥抗衰老作用。这些发现为神经科学和衰老研究提供理论基础，为脑和躯体年龄相关遗传表型以及衰老与多种疾病之间的相互作用提供新见解。

研究背景与问题：衰老是细胞、组织和器官生理功能随时间逐渐退化的内在过程，脑衰老可导致认知下降、记忆丧失及神经退行性疾病。脑内胶质细胞介导的慢性炎症、神经网络功能障碍以及神经元衰老和凋亡是脑衰老的重要特征。FGF13属于非分泌性FGF（FGF11–14，FGF homologous factors, FHFs），高表达于CNS，不依赖成纤维细胞生长因子受体（fibroblast growth factor receptor, FGFR）信号通路，参与神经元兴奋性、极化、神经发生及帕金森病（Parkinson's disease, PD）等病理过程，但其在脑衰老中的细胞类型和区域特异性作用尚不明确。星形胶质细胞可支持神经元、处理神经元异常释放的废物并调控微胶质细胞异常激活和炎症因子释放，因此研究人员聚焦星形胶质细胞，探讨FGF13在脑衰老中的作用及机制，为抗衰老治疗靶点提供依据。

研究开展与结论意义：研究人员通过公共数据库筛选及一系列体内外实验发现，FGF13在衰老小鼠和猕猴脑组织尤其mPFC和星形胶质细胞中下调；mPFC星形胶质细胞特异性敲除FGF13加速衰老表型并损害神经功能，过表达FGF13则延缓衰老并改善认知；RNA-seq提示FGF13主要影响星形胶质细胞炎症反应和自噬；机制上FGF13靶向并结合Phafin2，促进星形胶质细胞自噬，维持星形胶质细胞稳态，进而改善神经元损伤并减少微胶质细胞炎症因子释放。该研究提出FGF13通过调控星形胶质细胞功能改善脑微环境、发挥抗衰老作用，为脑和躯体年龄相关遗传表型及衰老与疾病互作提供新见解。

主要关键技术方法：研究人员基于公共基因表达数据库（GSE129788、CRA006617、GSE193107）进行单细胞转录组筛选；在16月龄小鼠mPFC注射AAV9，实现星形胶质细胞特异性FGF13敲低（FGF13^fl/fl+AAV-GFAP-Cre）或过表达（GFAP-Cre+AAV-DIO-FGF13）；采用Morris水迷宫（Morris water maze, MWM）、旷场实验（open field test, OFT）和高架十字迷宫（elevated plus maze, EPM）评估行为；结合免疫组化/免疫细胞化学、Western blot、酶联免疫吸附试验（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）、衰老相关β-半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase, SA-β-gal）染色、RNA-seq、免疫共沉淀（co-immunoprecipitation, Co-IP）、分子对接、透射电镜，以及C6、PC12、BV2和原代星形胶质细胞共培养验证。

研究结果：3.1 老龄小鼠mPFC星形胶质细胞中FGF13表达降低：公共单细胞转录组显示衰老小鼠脑总FGF13下降，星形胶质细胞、微胶质细胞和少突胶质细胞中降低而神经元无显著差异；衰老猕猴脑FGF13下调，mPFC和星形胶质细胞差异明显；小鼠mPFC随龄下降，皮质先升后降、海马渐降；D-半乳糖（D-galactose, D-gal）诱导的C6衰老模型显示衰老星形胶质细胞FGF13降低。结论为FGF13随衰老下降，星形胶质细胞可能是关键细胞类型。3.2 星形胶质细胞FGF13敲除加剧衰老相关行为和衰老进程：mPFC注射AAV-GFAP-Cre于FGF13^fl/fl小鼠实现敲低后，MWM逃避潜伏期增加、平台穿越和目标象限时间减少，OFT总距离和中央时间减少，EPM开放臂时间和进入次数减少；血清TNF-α、IFN-γ、IL-6、IL-1β升高，TNF-α和IL-1β高于衰老组；mPFC P53升高、PSD95和Synapsin-1降低；肝、脾、肾、心、皮肤SA-β-gal衰老加重。结论为皮质星形胶质细胞FGF13缺失加重衰老和神经功能损害。3.3 星形胶质细胞FGF13过表达改善衰老相关行为和衰老进程：GFAP-Cre小鼠mPFC注射AAV-DIO-FGF13过表达后，MWM逃避潜伏期降低、平台穿越和目标象限时间增加，OFT总距离和中央时间增加，EPM开放臂时间增加；血清炎症因子降低；P53和P21降低、PSD95和Synapsin-1升高；外周器官衰老减轻；体重增加减轻。结论为FGF13过表达延缓衰老并改善认知及焦虑样行为。3.4 FGF13缺失导致星形胶质细胞功能障碍并损害神经功能：C6 shRNA敲低联合D-gal衰老模型中，FGF13缺失加重星形胶质细胞衰老，C3、Cx43、EAAT2升高；C6-PC12共培养中AVP降低、谷氨酸升高，PSD95和Synapsin-1降低；C6-BV2共培养中IL-6和TNF-α升高，原代星形胶质细胞-BV2同种共培养验证。结论为FGF13缺失致星形胶质细胞功能异常并加重神经损伤和炎症。3.5 FGF13通过改善衰老诱导的星形胶质细胞功能障碍增强神经功能：LV-FGF13过表达减轻D-gal诱导衰老，降低C3、Cx43、EAAT2；共培养提高AVP、降低谷氨酸、提高PSD95和Synapsin-1；减少IL-6和TNF-α。结论为FGF13改善星形胶质细胞功能并保护神经元、抑制炎症。3.6 FGF13参与调控星形胶质细胞炎症反应和自噬：RNA-seq比较衰老C6与FGF13过表达衰老C6，发现625个上调基因和195个下调基因；上调基因富集于自噬体-溶酶体融合、溶酶体运输、生长因子活性、谷氨酸能突触、自噬-动物、溶酶体、PI3K-Akt和钙信号等，下调基因富集于IL-18受体活性、TNF反应、NF-κB正调控、细胞因子-受体、TGF-beta、p53和TNF等通路；基因集富集分析（gene set enrichment analysis, GSEA）示FGF13与自噬强相关。结论为FGF13主要影响星形胶质细胞自噬和炎症反应。3.7 FGF13通过靶向Phafin2调控星形胶质细胞自噬：蛋白互作预测（STRING、Genemania、HitPredict）提示Phafin2为潜在直接靶点；分子对接和Co-IP/双分子荧光互补证实相互作用；衰老mPFC中Phafin2和p-Akt/Akt降低，FGF13过表达升高；LC3升高、P62降低，电镜示自噬体和自噬溶酶体增加；体外衰老星形胶质细胞同样表现为FGF13过表达升高Phafin2、p-Akt/Akt和LC3，降低P62，增加自噬溶酶体；原代星形胶质细胞验证Phafin2轴。结论为FGF13通过Phafin2-Akt促进星形胶质细胞自噬。

讨论总结：讨论部分指出，脑衰老具有区域和细胞类型易感性，单细胞测序识别FGF13随衰老下降，星形胶质细胞下调明显，皮质FGF13蛋白降低，提示FGF13缺失可能通过损害皮质功能影响衰老。FGF13属非分泌性FGF11–14，不依赖FGFR；其他FGF如FGF21和FGF23参与系统衰老和代谢调控，而FGF13在脑衰老中的作用未明；既往FGF13在心脏衰老及代谢/线粒体功能中的报道不一，本研究聚焦星形胶质细胞。研究观察到衰老时星形胶质细胞异常激活，FGF13缺失小鼠血清促炎因子高于衰老对照，过表达降低炎症；该发现与Allen WE等关于星形胶质细胞激活随年龄增加并与局部区域炎症相关的结论相呼应；FGF13缺失致C3和EAAT2升高、谷氨酸释放异常、突触受损，过表达改善；该结果与Ling E等关于老年前额叶皮质神经元突触功能和星形胶质细胞突触支持受损的报道相呼应。机制上，FGF13靶向Phafin2，Phafin2需Akt并参与自噬；衰老时Akt活性和自噬相关基因下降、自噬体-溶酶体融合降低，FGF13通过Phafin2-Akt促进自噬，维持星形胶质细胞稳态并减少微胶质细胞炎症。局限包括：RNA-seq和通路评估主要用C6细胞，可能与原代及体内星形胶质细胞转录谱不同；FGF13是否直接结合PtdIns3P或Akt未明；20–23月龄小鼠行为存在地板效应；未独立排除Cre毒性或floxed等位基因在衰老背景的影响。

研究结论翻译：综上所述，在衰老早期，前额叶皮质因慢性炎症损伤逐渐萎缩，导致认知和记忆损害。星形胶质细胞持续异常激活介导的炎症反应是诱导长期慢性炎症的关键因素，而星形胶质细胞中FGF13表达显著下调是这种异常激活的主要原因。本研究揭示FGF13在星形胶质细胞中的功能并阐明其抗衰老机制：靶向Phafin2激活细胞自噬以维持星形胶质细胞稳态。该研究不仅为FGF家族功能研究提供新的理论视角、加深对衰老机制的理解，还可能有助于发现新的抗衰老治疗靶点，为促进健康衰老提供创新策略。