撰文 | 阿童木

衰老的一個核心分子特征是蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)（proteostasis）的逐步失衡。隨著年齡增長，這一精密調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在多個層面受到擾動：翻譯與降解不再匹配，分子伴侶和蛋白運輸體系效率下降，錯誤折疊與異常聚集逐漸累積【1】。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的脆弱性尤為突出。神經(jīng)元高度分化、更新能力有限，同時對蛋白質(zhì)功能依賴極強，因此穩(wěn)態(tài)失衡往往直接表現(xiàn)為突觸功能受損和神經(jīng)回路紊亂，進而引發(fā)與年齡相關(guān)的認知和運動能力下降，并顯著增加神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生風險【2】。

因此，解析神經(jīng)元蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)在衰老過程中的動態(tài)變化，被認為是理解腦衰老機制并識別潛在干預(yù)靶點的關(guān)鍵。然而，盡管蛋白質(zhì)組學和代謝標記技術(shù)不斷進步，在哺乳動物體內(nèi)以細胞類型特異的方式追蹤蛋白質(zhì)合成與更新，長期受限于缺乏穩(wěn)定、可靠且可操作的實驗?zāi)Ｐ?，這一技術(shù)瓶頸顯著制約了相關(guān)研究的推進。

近日，斯坦福大學 Tony Wyss-Coray 實驗室等在

Nature

Ageing promotes microglial accumulation of slow-degrading synaptic proteins

基于先前的體外研究【3】，作者構(gòu)建了兩款新的生物正交非經(jīng)典氨基酸標記（BONCAT）敲入小鼠模型（PheRS*和TyrRS*） 。在Camk2a驅(qū)動的神經(jīng)元特異表達模型中， PheRS*系統(tǒng)顯示出最強的標記能力 。通過凝膠熒光、組織染色和LC–MS分析，共檢測到3787種被有效標記的蛋白，其信號顯著高于背景，且未引發(fā)可檢測的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)應(yīng)激或小膠質(zhì)細胞增生。相比之下，TyrRS*和MetRS* 系統(tǒng) 在神經(jīng)元中的標記效率明顯較低。在全身性表達條件下，三種BONCAT系統(tǒng)的標記強度隨組織類型而變化，提示其效率可能受到tRNA豐度、細胞代謝狀態(tài)等因素的影響，在不同組織環(huán)境中各具應(yīng)用優(yōu)勢。

在Camk2a-cre;PheRS*小鼠中，所標記的蛋白質(zhì)組以神經(jīng)元蛋白為主，僅有少量來自其他細胞類型。這些蛋白富集谷氨酸能神經(jīng)元標志基因，且覆蓋軸突、樹突、突觸前后區(qū)室等主要神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。對運動皮層、紋狀體和海馬區(qū)進行區(qū)域蛋白質(zhì)組分析顯示， 3 個腦區(qū)共享3054種蛋白，但各自仍保留276–338種區(qū)域特異蛋白。主成分分析、層次聚類和熱圖分析能夠清晰區(qū)分不同腦區(qū)，免疫染色進一步驗證了區(qū)域富集蛋白的空間分布，基因本體分析則揭示了各腦區(qū)在生物通路層面 存在 功能特化 。

為研究衰老過程中的蛋白更新 特征， 作者開發(fā)了AAV:Camk2a-PheRS*載體，使老年小鼠神經(jīng)元蛋白得以高效標記，其效果與敲入模型相當。結(jié)合脈沖-追逐實驗與LC–MS定量分析， 作者發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元蛋白降解速率隨衰老顯著減慢，這一變化在中年后逐漸顯現(xiàn) 。 從青年到老年階段，神經(jīng)元蛋白的平均半衰期約增加一倍 。皮層中半衰期增加最多的蛋白富集于突觸、細胞連接和線粒體，這些結(jié)構(gòu)在衰老和癡呆中易受損。許多半衰期延長的蛋白由神經(jīng)發(fā)育或退行性風險基因編碼，跨腦區(qū)比較顯示共享蛋白半衰期變化存在區(qū)域差異，可能參與塑造不同腦區(qū)對衰老的易感性或抵抗力。

由于單一半衰期指標難以完整反映復(fù)雜的降解過程，研究進一步對蛋白降解軌跡進行聚類分析。以青年感覺皮層為例，蛋白降解曲線可分為五個主要聚類，各聚類在平均軌跡形態(tài)和下降斜率上均存在顯著差異。每個聚類的基因本體富集結(jié)果高度集中，通常對應(yīng)一到兩個主要生物過程。這一模式在其他腦區(qū)同樣成立，提示 功能相關(guān)的蛋白 其 降解速率 往往 趨于 一致 ，這與多蛋白復(fù)合體中蛋白半衰期趨同的既有觀察相 符 。

進一步比較不同腦區(qū)降解軌跡隨年齡的變化，研究發(fā)現(xiàn) 視覺皮層和下丘腦在中年階段已出現(xiàn)明顯的蛋白降解缺陷，感覺皮層中與突觸傳導(dǎo)相關(guān)的聚類受衰老影響最為顯著，而代謝過程相關(guān)聚類相對穩(wěn)定 。這一分析推廣至所有腦區(qū)后顯示，多數(shù)聚類變化幅度相近，但仍存在少數(shù)對衰老高度敏感或相對耐受的生物過程。

衰老導(dǎo)致的蛋白降解減緩是否與蛋白聚集有關(guān)，是研究進一步關(guān)注的問題。小鼠和人類老年大腦中均可觀察到神經(jīng)元蛋白聚集增加，而此類聚集往往與多種年齡相關(guān)腦病密切相關(guān)。通過結(jié)合聚集體分離與神經(jīng)元BONCAT標記， 作者在衰老大腦中鑒定出1726種參與聚集的神經(jīng)元蛋白（包括TDP43、FUS、NSF等已知神經(jīng)退行性疾病相關(guān)蛋白）， 其中392種此前已在老年人類大腦聚集物中被報道。RTN3和SRSF3通過免疫熒光在老年小鼠海馬區(qū)被證實形成泛素和p62標記的聚集結(jié)構(gòu)。 約69%的聚集蛋白由已知疾病風險基因編碼 ，且顯著富集于突觸等亞細胞區(qū)室。

進一步分析顯示，在衰老過程中降解速率降低的蛋白中，有46.8–54.6%同時參與聚集。其中54種蛋白在所有腦區(qū)均表現(xiàn)出“降解減慢—聚集增加”的雙重特征，另有若干蛋白在部分腦區(qū)呈現(xiàn)相同趨勢，提示許多蛋白以腦區(qū)非依賴的方式對衰老高度敏感。值得注意的是，在多數(shù)腦區(qū)中，聚集蛋白的平均半衰期略短于未聚集蛋白，這與短壽命蛋白更易形成異常聚集的現(xiàn)象相符。整體而言，這些結(jié)果表明 蛋白聚集是衰老過程中蛋白降解受阻的重要因素之一 。

小膠質(zhì)細胞 能夠 通過吞噬和處理神經(jīng)元蛋白維持神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)。作者在青年和老年小鼠中標記神經(jīng)元蛋白后，從全腦分離小膠質(zhì)細胞，并對其中富集的標記蛋白進行LC–MS分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 多種神經(jīng)元來源蛋白在小膠質(zhì)細胞內(nèi)積累 ，部分蛋白攜帶信號肽或為外泌體載荷，提示 可能通過分泌途徑轉(zhuǎn)移 ，而 CALR等分子則支持吞噬過程的參與；約54%的蛋白定位于溶酶體，表明其最終命運多為降解。

這些在小膠質(zhì)細胞中累積的神經(jīng)元蛋白主要來源于突觸、膜和線粒體區(qū)室，涵蓋突觸前和突觸后多個功能模塊，并與既有小鼠和人類小膠質(zhì)細胞蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)高度重疊。相比青年小鼠， 老年小膠質(zhì)細胞中積累的神經(jīng)元蛋白種類和豐度均顯著增加 。盡管突觸前后蛋白比例未發(fā)生明顯改變，但老年小膠質(zhì)細胞中富集的神經(jīng)元蛋白有53.5%同時表現(xiàn)出年齡相關(guān)的穩(wěn)態(tài)缺陷（降解減緩或聚集）。這三類蛋白集合的重疊程度顯著高于隨機預(yù)期，其中大量分子為突觸蛋白，部分與癡呆等神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。因此， 小膠質(zhì)細胞特異性積累異常神經(jīng)元蛋白可能是維持神經(jīng)元蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的機制。

綜上所述，本研究 通過神經(jīng)元特異的體內(nèi)蛋白標記與定量分析，系統(tǒng)揭示了衰老如何重塑神經(jīng)元蛋白更新與清除的動力學格局。衰老并非簡單導(dǎo)致蛋白“積累”，而是通過選擇性減慢降解、促進聚集，并將異常蛋白轉(zhuǎn)移至小膠質(zhì)細胞，逐步改變突觸穩(wěn)態(tài)和細胞間分工。這一過程可能在短期內(nèi)緩解神經(jīng)元內(nèi)在壓力，卻以突觸丟失和小膠質(zhì)細胞負擔加重為代價，為年齡相關(guān)的突觸退化和認知衰退提供了一個連貫的分子解釋框架 。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09987-9

制版人： 十一

參考文獻

1. López-Otín, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M. & Kroemer, G. The hallmarks of aging.Cell153, 1194–1217 (2013).

2. Hetz, C. Adapting the proteostasis capacity to sustain brain healthspan.Cell184, 1545–1560 (2021).

3. Yang, A. C. et al. Multiple click-selective tRNA synthetases expand mammalian cell-specific proteomics.J. Am. Chem. Soc.140, 7046–7051 (2018).

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