代谢的时间性变化指导衰老和多发性硬化中少突胶质前体细胞动态

《Neuron》：Temporal changes in metabolism guide oligodendrocyte precursor cell dynamics in aging and multiple sclerosis

　　

少突胶质前体细胞（OPC）分化受损限制了衰老中的髓鞘更新，并促进了多发性硬化（MS）进展。衰老如何驱动OPC缺陷仍不完全清楚。研究人员发现，与年轻OPC相比，衰老OPC中与生物钟（包括Bmal1）和代谢相关的基因失调。在OPC中靶向缺失Bmal1驱动代谢功能障碍，导致细胞衰老和动态受损。在年轻成年小鼠中，OPC增殖和分化在全天以不同速率发生，并随衰老而紊乱。对BMAL1控制的去乙酰化酶（sirtuin）信号传导进行时间疗法（chronotherapy），通过去乙酰化酶2（Sirt2）依赖机制，恢复了脱髓鞘后Bmal1紊乱的OPC动态。来自MS患者的诱导多能干细胞（iPSC）来源的OPC和MS病变少突胶质细胞重现了BMAL1和SIRT2紊乱。这些发现确立了BMAL1作为OPC能量代谢、去乙酰化酶稳态和衰老的关键调节因子。研究人员预计这项工作将为未来研究衰老、生物钟紊乱和髓鞘生物学之间的相互关联作用提供基础。

**论文解读：代谢的时间性变化调控少突胶质前体细胞在衰老和多发性硬化中的动态**

**研究背景、存在问题与研究动机**

衰老伴随中枢神经系统（CNS）髓鞘再生能力的显著下降，这一现象主要归因于少突胶质前体细胞（OPC）分化缺陷。在多发性硬化（MS）中，OPC介导的髓鞘修复失败是疾病进展的关键因素。然而，衰老如何驱动OPC功能障碍的分子机制尚不完全清楚。衰老涉及多种细胞过程的重塑，包括细胞周期调控、代谢、以及生物钟（circadian rhythm）的紊乱。生物钟系统的核心转录因子BMAL1在调节OPC细胞周期、形态和迁移中发挥重要作用，且OPC的增殖具有昼夜节律性。鉴于衰老与生物钟紊乱密切相关，且代谢失调是衰老的标志之一，研究人员提出假设：衰老过程中OPC内BMAL1的异常表达可能驱动少突胶质细胞的代谢功能障碍，进而导致OPC动态缺陷，并促进MS等神经退行性疾病的进展。该研究旨在阐明BMAL1在衰老和MS中调控OPC代谢和功能的作用，并探索时间疗法（chronotherapy）作为潜在干预策略的可行性。论文发表在《Neuron》。

**主要关键技术与方法**

1. **单核RNA测序（snRNA-seq）**：对年轻（5-6个月）和衰老（20-22个月）的OPC-Bmal1-野生型（WT）和OPC特异性Bmal1敲除（KO）小鼠大脑在昼夜时间点（ZT0和ZT12）进行单核转录组分析，以鉴定衰老相关的OPC亚群变化和基因表达失调。
2. **非靶向代谢组学（Untargeted Metabolomics）**：对来自出生后第7天（P7）OPC-Bmal1-WT和OPC-Bmal1-KO小鼠的少突胶质细胞（包括OPC、未成熟和成熟少突胶质细胞阶段）进行代谢物谱分析，以揭示Bmal1缺失对能量代谢和TCA循环的影响。
3. **体内脱髓鞘模型与时间疗法（Chronotherapy）**：使用OPC特异性诱导型Bmal1敲除小鼠（PDGFRα::CreERT2;Bmal1^fl/fl），通过立体定位注射溶血卵磷脂（lysolecithin）在胼胝体建立局灶性脱髓鞘病灶。在ZT0或ZT12分别给予药物（二甲双胍或β-NMN）治疗，评估时间依赖性治疗对OPC分化的挽救效果。
4. **人类iPSC来源的MS OPC模型**：从健康对照、复发-缓解型MS（RRMS）和继发进展型MS（SPMS）患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）分化纯化获得OPC，在体外同步化后进行批量RNA测序，分析其昼夜节律基因表达谱和SIRT2表达变化。
5. **空间转录组学与免疫组化**：利用MS患者脑组织的空间转录组学数据（包括Alsema等和Lerma-Martin等数据集）和免疫组化染色，在患者内部进行昼夜节律控制，比较病变区域与病灶旁白质（PLWM）中少突胶质细胞的BMAL1和SIRT2表达差异。

**研究结果**

**1. 衰老相关的少突胶质前体转录组改变**
通过snRNA-seq，研究人员发现衰老导致OPC亚群分布发生显著变化：静止期OPC（QuiOPC）增多，而分化中和增殖中的OPC（DifOPC和CycOPC）减少。在年轻WT小鼠中，OPC分化和增殖呈现昼夜节律性，而衰老破坏了这种时间模式。衰老还上调了衰老标志物（Cdkn1a、Cdkn2a）和分化抑制因子，下调了分化促进因子Sirt2。Bmal1表达在衰老OPC中下降，且下游生物钟基因的昼夜动态协调性受损。伪时间分析显示，衰老显著改变了Bmal1在增殖和分化轨迹中的表达。通路分析（IPA）表明，衰老WT OPC中最受影响的通路包括代谢（TCA循环和脂质代谢）、表观遗传调控和生物钟信号。

**2. 衰老相关的Bmal1下降与OPC代谢、增殖和分化潜能受损相关**
在年轻OPC中，Bmal1缺失导致TCA循环代谢物（如柠檬酸、α-酮戊二酸等）水平升高，线粒体体积增大，总ATP水平升高（主要由线粒体ATP产生驱动），并破坏了ATP的昼夜节律性波动。转录组分析显示，在WT OPC中，氧化磷酸化（OXPHOS）和TCA循环基因在ZT12协同表达，与ATP峰值一致；而Bmal1缺失破坏了这种时间协调性，导致这些基因分散表达。这表明BMAL1是OPC能量稳态的关键调节因子。

**3. BMAL1功能障碍在年轻OPC中启动衰老**
研究人员发现，Bmal1缺失的年轻OPC在体外表现出β-半乳糖苷酶活性增强和线粒体活性氧（ROS）水平升高。体内免疫组化染色也证实，Bmal1缺失的OPC中β-半乳糖苷酶和P21（细胞周期停滞标志物）强度增加。转录组分析显示，Bmal1缺失上调了衰老相关分泌表型（SASP）和氧化应激诱导的衰老相关基因，并下调了抗衰老通路（如去乙酰化酶信号、AMPK、NAD）。这表明Bmal1缺失足以在年轻OPC中诱导类衰老表型。

**4. 定时给予去乙酰化酶激活药物可在体内外挽救Bmal1-KO OPC的缺陷**
鉴于Sirt2是OPC中表达最高的去乙酰化酶，且受Bmal1调控，其表达在ZT12达峰，研究人员选择了时间疗法。在体内脱髓鞘模型中，傍晚（ZT12）给予二甲双胍治疗，在Bmal1-iKO小鼠中显著挽救了ASPA⁺少突胶质细胞密度，效果优于早晨（ZT0）治疗。在体外，仅在CT12（相当于ZT12）给予二甲双胍或β-NMN（NAD⁺前体）才能挽救Bmal1-KO OPC的增殖和分化。通过Sirt2 siRNA敲低Sirt2，完全消除了这种挽救效果，证明Sirt2是时间疗法挽救作用的关键介质。

**5. iPSC来源的MS OPC中的细胞内在生物钟和SIRT2紊乱**
与健康对照相比，RRMS和SPMS患者iPSC来源的OPC在体外同步化后表现出更少的节律性表达基因，且核心生物钟基因和OPC增殖/分化相关基因的表达显著失调，并从RRMS到SPMS逐渐恶化。SIRT2是表达最高的去乙酰化酶，但在MS OPC中其节律性丧失，且表达水平随疾病进展下降。通路分析显示MS OPC中炎症通路上调，PDGFRα信号和细胞外基质组织形成通路下调。

**6. MS病变中少突胶质细胞的BMAL1和SIRT2变化**
通过分析公开的MS组织单细胞数据集，研究人员发现慢性活动（CA）和慢性非活动（CI）病变中的OPC表现出核心生物钟基因表达紊乱和节律失调。利用空间转录组学进行患者内部分析（确保昼夜节律控制），发现病变区域少突胶质细胞中BMAL1的表达变化显著大于病灶旁白质区域内的随机变异。免疫组化进一步证实了BMAL1蛋白在CA病变少突胶质细胞中的表达改变。此外，在MS病变少突胶质细胞中，仅SIRT2（而非其他去乙酰化酶）的表达发生改变。

**讨论与结论**

本研究首次提供了BMAL1在衰老和MS OPC中发生紊乱的证据，并将生物钟生物学与OPC代谢联系起来，作为衰老和神经退行性变中OPC动态的关键介质。研究人员建立了小鼠OPC分化的昼夜节律控制代谢图谱，揭示了分化过程中脂质、葡萄糖和能量代谢的广泛变化，以及TCA循环中介导的“催化作用”（cataplerosis）。研究发现，OPC分化偏好于傍晚发生，此时ATP产生、TCA/OXPHOS基因和去乙酰化酶信号协同表达。Sirt2作为BMAL1调控的关键下游靶点，在OPC能量稳态中发挥核心作用。

研究结论：BMAL1是OPC能量代谢、去乙酰化酶稳态和衰老的关键调节因子。衰老和MS中BMAL1的紊乱导致OPC代谢功能障碍和细胞衰老，进而损害OPC的增殖和分化能力。时间疗法（在傍晚靶向SIRT2信号）能够有效恢复Bmal1缺失OPC的动态功能，为治疗衰老相关和MS中的髓鞘修复障碍提供了新的策略。这些发现强调了生物钟在理解少突胶质细胞行为中的重要性，并提示时间选择性治疗可能对促进髓鞘修复具有显著临床意义。