空间微重力下机械触觉刺激减弱影响突触信号并促成秀丽隐杆线虫神经肌肉衰老

《The FASEB Journal》：Reduced Mechanical Tactile Stimulation Under Space Microgravity Affects Synaptic Signaling and Contributes to Neuromuscular Aging in Caenorhabditis elegans

　　

尽管太空旅行日益普及，但对空间环境及微重力（microgravity, μG）如何影响生物学、生理学和人类健康仍了解不足。本研究考察了μG对秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）突触信号及神经肌肉衰老的影响。D01组（μG中从L4幼虫培养至年轻成虫）表现出与突触信号、多巴胺（dopamine）响应、运动（locomotion）、角质层（cuticle）发育及线粒体代谢相关基因的下调，并伴有突触动态改变、运动能力下降及体长缩短。在μG条件下，老龄线虫胶原（collagen）基因表达降低、运动神经元形态异常增多、突触囊泡（synaptic vesicle）动态改变及体壁肌（body wall muscle）线粒体形态崩解，提示衰老样表型加剧。轻柔触觉机械感受器（gentle-touch mechanoreceptor）MEC-4被鉴定为μG诱导体长缩短及细胞外基质（extracellular matrix, ECM）基因表达改变的关键介导因子；mec-4突变体不出现μG相关的体长短缩。多数机械感受器基因（包括 stretch-activated channel unc-105和del-1）在μG下表达下调；值得注意的是tmc-1和degt-1的机械感受器基因表达下调不依赖于MEC-4。在空间中使用含小微球（microsphere beads）的培养基恢复物理刺激，可减轻多数μG诱导的神经肌肉缺陷及机械感受器基因等的表达改变。上述结果强调了机械刺激在维持飞行期间神经肌肉完整性中的作用，并提示恢复触觉输入可对抗长期航天中因触觉刺激减少带来的健康风险。

论文解读：空间微重力下机械触觉刺激减弱影响突触信号并促成秀丽隐杆线虫神经肌肉衰老

该论文由A. Higashitani等人牵头，作为JAXA"Neuronal Integrated System (NIS)"空间实验的一部分，发表于《The FASEB Journal》。现有研究表明微重力（microgravity, μG）会导致宇航员出现类似衰老的症状，如骨质流失、肌肉萎缩及多巴胺相关基因表达改变，且GeneLab多组学分析指出线粒体应激是太空飞行的核心共性反应；但μG产生广泛组织响应的精确机制尚不清楚——细胞自主重力感应不足以解释协调反应，而可能通过机械感觉（mechanosensation）途径介导。前期地面模拟μG研究发现，缺失物理接触刺激会降低内源性多巴胺生成及comt-4表达，添加微球可恢复，提示μG导致的接触刺激减少可能影响突触信号。因此研究人员假设空间μG通过减少机械触觉刺激影响神经肌肉及衰老表型，并通过国际空间站（ISS）真实空间实验加以验证，同时使用微球恢复触觉刺激进行干预对照，最终证实μG引起的触觉刺激缺失经MEC-4等机械感受器介导神经肌肉发育与老化异常，恢复触觉输入可缓解缺陷，为长期航天对抗措施提供新思路。

主要关键技术方法

以野生型N2 Bristol及mec-4(u253)、trp-4(ok1605)、cat-2(e1112)突变体、多种荧光标记转基因株（突触前snb-1::GFP、突触后glr-1::GFP、线粒体mitoGFP、多巴胺能及GABA能神经元标记等）为样本队列。将同步化受精蛔虫卵或L2幼虫置入含/不含聚乙烯微球（φ250–300 μm，用于恢复触觉刺激）的培养袋，随SpaceX Crew-8送至ISS日本希望号（Kibo）实验舱，分别在空间μG、空间加微球（μGB）及舱内离心1G对照下培养，地面1G平行对照于肯尼迪航天中心（KSC）同步培养。收集D01（L4至年轻成虫）及D10（FUdR抑制后代培养至老化的10日成虫）样本，进行RNA测序（RNA-seq）分析差异表达基因（DEG）及GO富集；解冻测量体长；在轨及回地后共聚焦显微镜观察突触斑点数/大小、GABA能DD/VD运动神经元轴突膨出（bleb）与树突损伤、体壁肌线粒体形态及线粒体Ca2?（mito LAR-GECO）；统计采用Student's t检验或ANOVA。

研究结果

3.1 Analysis of Space μG and Physical Stimuli Effects on Gene Expression in Wild-Type C. elegans（空间μG及物理刺激对野生型线虫基因表达的影响）

研究人员对D01野生型线虫行RNA-seq，发现μG下2835个基因显著下调，富集于角质层胶原（cuticle collagen）与表皮发育、运动、顺行跨突触信号（anterograde trans-synaptic signaling）、多巴胺响应、胞外基质（ECM）组织、轴突导向及三羧酸循环等；1768个基因上调。添加微球（μGB）使443个基因上调，部分恢复突触信号、运动及多巴胺响应相关基因的表达，并改善TGF-β/BMP通路dbl-1及wrt家族表达——这些变化关联μG引起的体长缩短。表明μG致广泛神经肌肉相关基因下调，而恢复触觉刺激可部分挽救。

3.2 Synaptic Vesicle Dynamics in the Nervous System in Space-Grown C. elegans（空间培养线虫神经系统突触囊泡动态）

研究人员检测突触标记snb-1::GFP（ALM触觉神经元及GABA能DD/VD运动神经元突触前）与glr-1::GFP（腹侧神经索中间神经元突触后）。μG下ALM神经元突触前荧光强度分布改变，DD/VD运动神经元突触前斑点数密度降低、突触后GLR-1::GFP密度也降低；μGB使突触前及突触后密度恢复至近1G水平。说明μG损害突触囊泡动态，物理刺激可改善。

3.3 Gene Expression Changes in Aged C. elegans in Space μG (D10/D01)（空间μG下老龄线虫基因表达变化）

研究人员比较D10与D01各重力条件，发现D10 μG较D10 1G进一步下调96个胶原/ECM基因簇、上调TTBK及PTPs家族基因；μGB缓解胶原基因额外下调并抑制TTBK/PTPs上调。PCA显示μGB使D01基因表达沿PC2向1G偏移。表明空间μG加剧衰老相关的ECM基因下调及潜在神经退行相关基因上调，触觉恢复可部分逆转。

3.4 Age-Related Changes in Neurons Under μG Conditions（μG下神经元年龄相关改变）

研究人员观察D10 GABA能运动神经元轴突及CEP多巴胺能感觉神经元树突。μG下D10 DD/VD运动神经元轴突bleb数及轴突缺陷增加，突触前斑大小增大、突触后GLR-1::GFP密度下降且斑大小增大；μGB将其恢复至1G水平。CEP树突轻微损伤不被μGB改善。提示μG加速特定运动神经元老化，触觉刺激可拮抗此效应。

3.5 Exacerbated Muscle Mitochondria Senescence in Space μG（空间μG加剧肌肉线粒体衰老）

研究人员用mitoGFP及mito LAR-GECO观察体壁肌线粒体。D01各条件下线粒体网络无差异；D10 μG下线粒体显著片段化、肿胀、体积减小，严重损伤比例52.5%（1G空间对照16.8%），线粒体Ca2?升高；μGB减轻损伤（严重损伤降至32.4%）并降低线粒体Ca2?。说明μG加速肌肉线粒体老化表型，恢复触觉刺激可缓解。

3.6 Effect of Mechanoreceptors on Body-Size and Global Gene Expression Changes in Space μG（机械感受器对空间μG下体长及全局基因表达改变的影响）

研究人员测量各突变体D01体长：野生型及trp-4(ok1605)、cat-2(e1112)在μG下体长短于1G，μGB改善；mec-4(u253)突变体μG与1G体长无差异且μGB无影响，表明MEC-4介导μG诱导体长短缩。转录组显示μG下野生型ECM/胶原基因下调在mec-4突变体中不出现或部分上调；突触信号与运动基因下调程度减弱。18个机械感受器基因中7个（含unc-105、del-1）在野生型μG下显著下调且依赖MEC-4，degt-1与tmc-1下调不依赖MEC-4；μGB恢复多数机械感受器基因表达。表明MEC-4是μG感知触觉缺失致ECM基因下调及体长短缩的关键，且μG引发机械感受器表达整体下行。

3.7 Impact of the mec-4(u253) Mutation on Neuromuscular Aging in a 1G Terrestrial Environment（mec-4突变对地面1G环境神经肌肉衰老的影响）

研究人员对比地面1G野生型与mec-4(u253)突变体老化进程。mec-4突变体D07–D10肌肉线粒体更早出现片段化/肿胀/Ca2?升高、DD/VD运动神经元轴突bleb提前出现；自噬/线粒体自噬（mitophagy）相关基因上调，类似于空间μG与地面的老化对比。爬行中弱摩擦诱发的体壁肌胞质Ca2?瞬变在mec-4突变体缺失。说明地面缺失MEC-4介导的触觉刺激本身即加速神经肌肉老化，模拟μG部分效应。

讨论与结论总结（翻译浓缩）

此NIS空间实验首次揭示空间μG因悬浮致机械触觉刺激减少，负向影响线虫神经肌肉发育与老化；添加微球恢复触觉刺激可减轻缺陷。μG下调TGF-β/BMP dbl-1及其下游sma-、wrt-及ECM胶原基因（emb-9、let-2、dpy-），致体长短缩；mec-4(u253)不出现此短缩，而trp-4(ok1605)仍有，证明MEC-4轻柔触觉机械感受器介导该过程。μG普遍下调多类机械感受器基因（degt-1、tmc-1为MEC-4非依赖下调；unc-105、del-1为MEC-4依赖），暗示机械感觉的负面反馈环路。μG还抑制顺行跨突触信号、多巴胺响应相关基因，降低突触前（snb-1::GFP）及突触后（glr-1::GFP）斑密度，加珠恢复之。老龄虫在μG下胶原/ECM基因进一步下调、TTBK/PTPs上调，运动神经元轴突bleb与突触异常加重，体壁肌线粒体Ca2?超载、片段化/肿胀加剧——均被加珠缓解。mec-4突变体地面早老提示触觉刺激缺失本身促老化。加珠未能完全恢复线粒体代谢基因（TCA循环等）表达，故部分线粒体与轴突损伤未完全回到1G水平。综上，空间μG中因失重减少的机械触觉刺激经MEC-4等机械感受器影响神经肌肉完整性与加速老化样表型；恢复触觉输入可对抗此类航天健康风险，强调维持重力衍生触觉刺激对长期航天任务中人体健康的重要性。