皮肤衰老中的谷氨酸能神经元-成纤维细胞通讯障碍机制

《Molecular Biomedicine》：Impaired glutamatergic neuron–fibroblast communication driving skin aging

　　

近期发表于《Cell》的一项研究（Wang等）鉴定了一条功能性信号通路：支配皮肤的谷氨酸能神经元通过该通路维持真皮成纤维细胞功能与胶原稳态，并发现其随年龄增长的功能衰退驱动了小鼠成纤维细胞衰老和皮肤老化。研究发现，皮肤去神经支配加速了衰老表型。进一步的实验表明，神经丝重链蛋白（NEFH）——主要在囊泡谷氨酸转运体2阳性（VGLUT2+）的谷氨酸能神经元中表达且随年龄下降——作为成纤维细胞衰老的分子调控因子发挥作用。机制上，周期蛋白依赖性激酶5（CDK5）同时与NEFH和VGLUT2相互作用，以维持谷氨酸释放。因此，衰老相关的NEFH缺乏通过NEFH-CDK5-VGLUT2轴损害谷氨酸释放，进而驱动成纤维细胞衰老和胶原丢失。相反，补充谷氨酸能以依赖于溶质载体家族1成员3（SLC1A3）的方式改善成纤维细胞衰老和皮肤老化表型。总之，该研究确立了功能性神经元-成纤维细胞间的通讯，并鉴定出一条神经调控皮肤衰老的通路：神经元NEFH-CDK5-VGLUT2 → 谷氨酸 → 成纤维细胞SLC1A3。

研究背景与科学问题

皮肤作为机体最外层的屏障器官，随着年龄增长会发生显著的结构和功能退化，表现为胶原丢失、伤口愈合能力下降以及对感染和肿瘤的易感性增加。大量证据表明，真皮成纤维细胞的衰老是驱动皮肤老化的关键因素。在衰老皮肤中，真皮成纤维细胞积累为衰老状态，其特征包括p16表达上调、衰老相关分泌表型（SASP）的出现以及胶原合成能力的进行性丧失；这些衰老成纤维细胞还会重塑细胞外基质并获得炎症表型，进一步加剧皮肤老化和与年龄相关的皮肤病。然而，调控皮肤成纤维细胞衰老的上游机制长期以来仍不清楚。皮肤受密集的感觉神经纤维支配，这些神经纤维不仅传递痛觉、温度、瘙痒和化学刺激信号，还能释放神经递质作用于皮肤微环境中的其他细胞。异常的神经调控已被证实参与多种皮肤疾病（如白癜风）。但是，支配皮肤的神经是否直接调控成纤维细胞衰老和胶原稳态，以及年龄相关的神经变化究竟是皮肤老化的原因还是结果，此前均未得到解答。

研究设计与核心结论

Wang等人针对上述问题，研究了外周神经调控在皮肤老化中的细胞基础和分子机制。研究人员发现，支配皮肤的神经元在皮肤老化中发挥关键作用：皮肤去神经支配加速了老化表型。进一步研究表明，神经丝重链蛋白（NEFH）——主要在囊泡谷氨酸转运体2阳性（VGLUT2⁺）的谷氨酸能神经元中高表达且其水平随年龄下降——是成纤维细胞衰老的分子调控因子。机制上，周期蛋白依赖性激酶5（CDK5）同时与NEFH和VGLUT2相互作用，从而维持谷氨酸的释放。因此，衰老导致的NEFH不足通过NEFH-CDK5-VGLUT2轴损害谷氨酸释放，进而驱动成纤维细胞衰老和胶原丢失。相反，补充谷氨酸能以依赖于溶质载体家族1成员3（SLC1A3）的方式改善成纤维细胞衰老和皮肤老化表型。该研究首次建立了功能性神经元-成纤维细胞间的通讯，并鉴定出一条从神经元到成纤维细胞的完整信号通路，揭示了外周神经元衰老与成纤维细胞衰老之间的桥梁，提示靶向神经元谷氨酸释放或恢复神经元-成纤维细胞通讯可能延缓皮肤老化。

关键技术方法概述

研究人员采用了多种皮肤去神经支配小鼠模型（手术切断及化学消融）、条件性基因敲除小鼠模型（利用Vglut2^Cre小鼠在皮肤支配神经元中特异性敲除Nefh，以及成纤维细胞特异性Slc1a3敲除小鼠）、公共转录组数据集分析（包括人类和小鼠皮肤衰老单细胞转录组数据）、免疫荧光与多重神经元标记技术（定位NEFH在VGLUT2⁺神经元中的表达）、免疫共沉淀（Co-IP）与蛋白质组学分析（鉴定NEFH互作蛋白CDK5及其与VGLUT2的相互作用）、组织谷氨酸含量测定、以及体外原代成纤维细胞培养与谷氨酸处理实验。研究涉及的人类皮肤样本来源于公开数据库（未注明具体队列来源），小鼠样本来自C57BL/6J背景品系。

研究结果分述

1. 皮肤去神经支配加速皮肤老化表型

研究人员采用手术切断和化学方法（辣椒素处理）两种去神经支配模型，发现去神经支配后小鼠皮肤中衰老标志物p16表达升高，I型胶原含量显著降低，表明感觉神经的缺失可直接导致成纤维细胞衰老和胶原丢失。

2. NEFH是皮肤老化过程中下调最显著的基因之一

通过分析公共转录组数据集，研究人员发现Nefh是人类和小鼠衰老皮肤中下调最为剧烈的基因之一，NEFH蛋白水平在老年人和老年小鼠皮肤中均显著降低；NEFH表达与年龄呈负相关，与胶原丰度呈正相关。单细胞转录组学结合多种神经元标记技术将NEFH定位于VGLUT2⁺的皮肤支配谷氨酸能神经元，且这些神经元的末梢与成纤维细胞存在空间接触。

3. 神经元Nefh缺失重现皮肤老化表型

在皮肤支配神经元中特异性敲除Nefh的小鼠（Nefh^fl/fl;Vglut2^Cre）表现出典型的皮肤老化表型，包括胶原耗竭、p16上调以及成纤维细胞衰老（SA-β-gal染色阳性）。进一步研究发现，Nefh缺失显著降低了VGLUT2的表达，从而很可能损害谷氨酸释放（因为VGLUT2负责将谷氨酸装载入突触囊泡）。与此一致，老年人类和小鼠皮肤、去神经支配后以及Nefh下调后的皮肤组织中谷氨酸含量均减少。

4. 补充谷氨酸可挽救NEFH缺失诱导的老化表型

向Nefh^fl/fl;Vglut2^Cre小鼠皮内注射谷氨酸，能够显著逆转NEFH缺乏引起的胶原丢失和成纤维细胞衰老，证明谷氨酸是介导该通路的关键下游信号分子。

5. CDK5是连接NEFH与VGLUT2的关键衔接蛋白

蛋白质组学和免疫共沉淀分析鉴定出CDK5为NEFH在小鼠皮肤中的互作蛋白，且CDK5也能与VGLUT2相互作用。NEFH缺乏减少了神经元中CDK5和VGLUT2的表达并损害谷氨酸释放，而Cdk5过表达则可恢复VGLUT2水平和谷氨酸产生。这些数据支持NEFH-CDK5-VGLUT2这一功能性通路的存在。值得注意的是，在博来霉素诱导的皮肤纤维化模型中，抑制CDK5或神经元Nefh缺失反而减少了过度胶原沉积，提示该通路在不同病理背景下对胶原积累的作用具有情境依赖性。

6. SLC1A3是成纤维细胞感知谷氨酸的关键转运体

通过筛选谷氨酸受体和转运体并结合成纤维细胞特异性标记，研究人员鉴定出SLC1A3（一种谷氨酸转运体而非经典谷氨酸受体）在皮肤成纤维细胞中高表达，并在老年人类和小鼠皮肤中表达降低。成纤维细胞特异性Slc1a3敲除使年轻小鼠的p16升高、胶原减少；而谷氨酸对小鼠和人皮肤成纤维细胞的抗衰老和促胶原效应在Slc1a3敲除或敲低后基本消失。这表明SLC1A3是成纤维细胞感知谷氨酸并维持皮肤胶原稳态所必需的分子。

讨论与结论

该研究拓宽了对皮肤老化机制的理解，将外周神经元纳入成纤维细胞功能和胶原稳态的调控网络。研究的亮点在于将皮肤抗衰老的关注点从成纤维细胞本身转向神经元-成纤维细胞通讯。NEFH下降与皮肤老化之间的关系可能是双向的：研究结果支持神经元NEFH缺失对皮肤老化的因果贡献，但另一方面，衰老皮肤通常显示神经纤维末梢减少，这提示皮肤老化也可能继发性地损害感觉神经元功能和NEFH表达。未来需要确定NEFH下降究竟是皮肤老化的驱动因素、结果、抑或两者兼有。

该研究鉴定了NEFH⁺VGLUT2⁺谷氨酸能神经元是小鼠成纤维细胞功能和皮肤老化的重要调节因子。但由于皮肤中存在多种神经元群体和神经递质，该机制在皮肤老化中的普适性以及不同神经元群体的相对贡献仍有待确定。口服谷氨酸给药可减轻小鼠皮肤老化，但这并不能确立临床疗效，也无法区分局部神经元谷氨酸与系统性谷氨酸的各自贡献，因此间接的系统性机制仍然可能，且膳食谷氨酸能否到达真皮成纤维细胞尚未得到验证。若干悬而未决的问题值得特别关注：第一，是什么导致了NEFH水平和SLC1A3介导的信号通路的年龄相关性下降？第二，SLC1A3如何将谷氨酸可用性与成纤维细胞功能偶联起来？第三，能否通过局部干预恢复神经元-成纤维细胞信号传导来保护衰老过程中的皮肤功能而不促进纤维化？解决这些问题对于将外周神经调控转化为安全的抗衰老策略至关重要。

总体而言，该研究鉴定了一条将皮肤神经支配与成纤维细胞功能和胶原稳态联系起来的功能性神经通路，表明支配皮肤的神经纤维——包括NEFH⁺VGLUT2⁺谷氨酸能神经元——是皮肤老化和皮肤健康的重要调控因子。