GJA1

*仅供医学专业人士阅读参考长久以来，神经元一直被认为是调控各种行为的关键，因为其是神经环路的主要构成者[1]。然而，越来越多的研究表明，作为中枢神经系统内最主要的神经胶质细胞类型，除了营养支持功能外，星形胶质细胞同样参与神经环路的调控[2, 3]，但我们对其具体机制知之甚少。近日，来自加州大学洛杉矶分校的Baljit S. Khakh团队，在《自然》杂志发表重磅研究[4]，他们发现了一群位于纹状体的Crym+星形胶质细胞，它们可调控从眶额皮质到纹状体的与持续重复行为相关的神经环路，揭示了星形胶质细胞调控神经环路的新机制。Khakh团队发现，当位于纹状体的Crym+星形胶质细胞Crym基因被沉默时（Crym KO，Crym基因编码μ-晶体蛋白[5]），突触间γ－氨基丁酸（GABA）——一种主要起抑制作用的神经递质的含量下降，从而导致眶额皮质到纹状体的神经环路兴奋性改变。这最终造成突触兴奋/抑制性信号平衡失调和中型多棘神经元（MSN，纹状体的主要输出神经元[6]）兴奋性增加，导致了小鼠出现持续重复行为。在抑制Crym KO小鼠相应突触前神经元的兴奋性后，可逆转Crym KO小鼠的持续重复行为。由于多种有持续重复行为相关表型的神经精神疾病，如强迫症和亨廷顿病等[7, 8]，患者脑内μ-晶体蛋白含量降低，因而本研究所发现的调控机制可能是治疗这些疾病的潜在靶点。论文首页截图Khakh团队在对小鼠脑内各部分组织中的星形胶质细胞进行RNA测序后发现，Crym基因在纹状体的星形细胞中表达程度最高。小鼠脑组织非神经细胞单细胞测序结果则显示，Crym基因主要在Gja1+星形胶质细胞中高表达。在星形胶质细胞中，约50%的细胞表达Crym，这一比例低于星形胶质细胞的其他标志物（如GFAP和S100β）。Crym基因在小鼠脑组织星形胶质细胞的表达情况，Crym基因高表达于纹状体星形胶质细胞这一结果也得到了RNAScope结果的验证。此外，研究人员还进一步发现，纹状体中Crym+星形胶质细胞主要集中在纹状体腹侧区和中央区，几乎不存在于背外侧区。为了研究Crym+星形胶质细胞的作用，研究人员敲除了小鼠纹状体中星形胶质细胞的Crym基因，构建了Crym KO小鼠。Crym KO小鼠与对照小鼠在体重、运动功能、学习能力方面均无差异，但在行为学实验中，研究人员发现Crym KO小鼠出现了明显更多的持续重复行为，如埋藏与挖掘大理石、自我梳理、舔水瓶口等行为的时间明显增多，而在新物体识别方面则表现较差。也就是说，它们出现了持续重复行为模式，从而难以过渡到其他活动。Crym KO小鼠出现持续重复行为模式Crym KO造成小鼠出现这一表现的原因是什么呢？Khakh团队首先排除了Crym KO导致星形胶质细胞或神经元凋亡和死亡这一原因，同时Crym KO小鼠星形胶质细胞的形态和电生理特征也与对照组没有差别。因而他们怀疑是Crym KO小鼠纹状体星形胶质细胞对神经元兴奋调节功能的改变，导致了小鼠出现持续重复行为。纹状体是基底节皮质纹状体-丘脑-皮质神经环路环的一部分，在对这一环的神经元活动进行监测发现，与对照组小鼠相比，Crym KO小鼠的外侧眶额皮质、中央纹状体和背侧丘脑有更多的神经元激活。紧接着，通过顺行及逆行示踪技术，研究人员确定了纹状体中Crym+星形胶质细胞所调控神经环路的神经输入纤维，确实来源于外侧眶额皮质，表明Crym KO可能改变了外侧眶额皮质神经元与中央纹状体MSN之间的兴奋传递。进一步的研究表明，Crym KO小鼠纹状体中外侧眶额皮质传入神经元兴奋性输入增加，而MSN中自发抑制突触后电流减少，这种突触兴奋/抑制（E/I）信号比率的失调，导致了Crym KO小鼠中外侧眶额皮质-纹状体神经环路被异常激活。Crym KO小鼠外侧眶额皮质-纹状体间E/I信号比率的失调为了明确E/I信号比率失调的原因，研究人员通过气相色谱-质谱仪，分析了Crym KO和对照小鼠纹状体中兴奋性/性抑制神经递质谷氨酸和GABA的含量，发现Crym KO小鼠纹状体中谷氨酸/GABA比率显著增加，且Crym KO小鼠中纹状体星形胶质细胞内GABA和GABA合成酶单胺氧化酶B的含量显著减少。与此同时，通过分析GABA受体拮抗剂和激动剂，对Crym KO小鼠和对照小鼠外侧眶额皮质-纹状体突触间兴奋性影响的差异，Khakh团队证实，Crym KO小鼠E/I信号比率的失调，是由于纹状体GABA水平降低，导致突触前抑制减少，从而导致MSN的兴奋性突触后电流增加。Crym KO小鼠纹状体GABA水平降低，导致突触前抑制减少，从而导致MSN的兴奋性突触后电流增加通过化学遗传学技术抑制外侧眶额皮质传入神经元的兴奋后，可以减少导致MSN的兴奋性突触后电流，还能逆转由Crym KO导致的持续重复行为。由此，研究人员基本明确了Crym KO后星形胶质细胞调控神经元突触间兴奋性功能的改变，而导致持续重复行为的机制。唯一存在的疑问是：Crym KO后突触间GABA水平的降低是如何发生的。虽然研究人员猜想这与星形胶质细胞中GABA合成功能，以及GAT3（GABA转运蛋白3）的表达降低有关，但这一点需要在今后进行更进一步的研究。总的来说，本研究揭示了星形胶质细胞参与调控神经环路的新机制，纹状体星形胶质细胞中Crym基因的表达降低，可能与持续重复行为模式相关，这为治疗具有类似行为模式的疾病（如强迫症和亨廷顿病等）提供了新策略。参考文献1.Luo L: Architectures of neuronal circuits. Science 2021, 373(6559):eabg7285.2.Nagai J, Yu X, Papouin T, Cheong E, Freeman MR, Monk KR, Hastings MH, Haydon PG, Rowitch D, Shaham S et al: Behaviorally consequential astrocytic regulation of neural circuits. Neuron 2021, 109(4):576-596.3.Khakh BS, Sofroniew MV: Diversity of astrocyte functions and phenotypes in neural circuits. Nat Neurosci 2015, 18(7):942-952.4.Kruyer A: Non-neuronal brain cells modulate behaviour. Nature 2024.5.Kinney CJ, Bloch RJ: micro-Crystallin: A thyroid hormone binding protein. Endocr Regul 2021, 55(2):89-102.6.He J, Kleyman M, Chen J, Alikaya A, Rothenhoefer KM, Ozturk BE, Wirthlin M, Bostan AC, Fish K, Byrne LC et al: Transcriptional and anatomical diversity of medium spiny neurons in the primate striatum. Curr Biol 2021, 31(24):5473-5486 e5476.7.Piantadosi SC, McClain LL, Klei L, Wang J, Chamberlain BL, Springer SA, Lewis DA, Devlin B, Ahmari SE: Transcriptome alterations are enriched for synapse-associated genes in the striatum of subjects with obsessive-compulsive disorder. Transl Psychiatry 2021, 11(1):171.8.Hodges A, Strand AD, Aragaki AK, Kuhn A, Sengstag T, Hughes G, Elliston LA, Hartog C, Goldstein DR, Thu D et al: Regional and cellular gene expression changes in human Huntington's disease brain. Hum Mol Genet 2006, 15(6):965-977.责任编辑丨BioTalker

大家好，我是来自于北京大学心血管研究所的郑乐民，我今天主讲的主要是“肠道菌群代谢和代谢性疾病”。 我们主要研究的是心脑血管疾病和内分泌相关疾病的相互作用和影响，这是我第二次在这个舞台上。今天跟大家分享的是我们最近两年做的研究。 所以我主要通过，第一个还是最关心的肠道菌群对心脑血管疾病的影响；第二部分是肠道菌群代谢对内分泌性疾病，比方说非酒精性脂肪肝的影响；第三部分，我想讨论一下代谢物对心血管疾病的影响，而且这些代谢物可能会和肠道菌群产生关联。 肠道菌群代谢产物与心血管疾病 第一部分是肠道菌群代谢产物对心血管疾病的而影响。首先，我们看一下研究。 欧洲有个1000多人的研究发表在Nature Medicine上，引起了大家的关注。为什么呢？ 因为大家知道，肠道菌群代谢和心血管研究其实历史不长，在2010年以后肠道菌群和心血管的相关性研究在逐渐开始。到目前，其实在很多医院，菌群、代谢相关的诊断和治疗还是缺乏的。 但是可以看到，越来越多的人关注到肠道菌群和心力衰竭、冠心病和心血管疾病相关的研究。比如说这一篇在JACC子刊上的研究，大家就讨论到了一个肠道菌群的代谢物和心衰的关系，就具体到哪个代谢物。 可见现在大家对菌群、代谢以及心脑血管疾病的关系，已经比10年前更深入了。大家希望看到更直接的肠道菌群相关的酶、代谢以及心血管疾病的影响。 TMAVA（三甲基-5-氨基戊酸） 我们团队很有幸，从2010年以后也在这方面做了很多工作。 其中很重要的一个就是，我们发现了一个肠道菌群的代谢物——三甲基-5-氨基戊酸（TMAVA）。这个代谢物是我们团队在这个病生理的过程，特别在动物的过程，是首次报道的。 三甲基-5-氨基戊酸，它看着很像早期研究的氧化三甲胺（TMAO）。当然我们发现，它跟氧化三甲胺是不同的通路，它确实是菌群带来的，所以在无菌老鼠中，你很少发现代谢物。 另外，你通过抗生素抑制以后发现能够抑制这种代谢物，同时进行菌群移植，这个代谢物的量又提高了。 我们和武汉的汪道文老师合作，观察了样本中TMAVA的量。我们发现，在7年的病人的死亡和移植风险中，它是密切相关的。TMAVA是一个坏的因子，和心衰的风险是相关的。 另外我们也发现，菌群中存在着两个酶——5-氨基戊酰胺酶（DavA）和赖氨酸2-单加氧酶（DavB）。它们可以通过我们内源性的代谢物，然后逐步地产生了TMAVA。 所以说，TMAVA会加重高脂饮食、主动脉缩窄引起的心肌肥厚和功能障碍。 我们可以看到，整个心脏是变大的，心肌细胞的横截面是变大的。而且我们可以看到，这种射血分数的下降以及短轴缩短率的下降，表示了显著的功能的下降。 在看到亚细胞结构以后，我们发现线粒体发生肿胀，大家可以从电镜的图片中看到。 而且我们做了海马呼吸发现，线粒体的呼吸严重受损，线粒体呼吸的强度下降了，伴随的是氧化应激增高了。 所以说为什么它会出现这种障碍呢？ 我们发现这种肠道菌群产生的代谢物，它会影响一个酶叫BBOX（丁基甜菜碱羟化酶）。我们从蛋白组学找到了这个酶，我们发现，BBOX缺乏就会导致心脏的肥大、脂质的堆积以及氧化应激的增高。 另外找到了动物进行了敲除以后，我们发现心脏的肥大也是加剧了，说明代谢物的靶点就是BBOX。 所以说，我们再看线粒体的β-氧化。 短链的脂肪酸指碳链≤12的脂肪酸，可以直接进入线粒体。但是链长大于14的脂肪酸，要通过酰基肉碱的帮忙，才能进入线粒体进行β-氧化。 我们也发现营养还是很重要的，所以我们要保证一定的红肉量、一定的蛋白质，最后会产生肉碱、酰基肉碱，能够帮助心脏和肝脏的脂肪酸β-氧化。 在这种TMAVA处理的小鼠中，如果再补充外源性的肉碱，我们发现可以逆转TMAVA诱导的心肌肥厚。所以，我们需要营养帮助脂肪酸的β-氧化。 而且我们的心脏、我们的肝脏，特别是我们的心脏，需要脂肪酸的β-氧化超过了对葡萄糖的需要，所以我们需要长链脂肪酸的β-氧化。 另外我们发现，肠道菌群和衰老密切相关。所以这几年大家开始研究衰老和代谢以及肠道菌群。大家知道“衰老”，无论是从医学上还是从现实的生活中，对我们的社会的影响都非常大的。 所以，这个领域也是非常火爆的领域。 TMAO（氧化三甲胺） 我们再回到2010年，大家广泛研究的，也有我美国的导师Stanley Hazen，他们发现了氧化三甲胺。 我们也在关注氧化三甲胺对心血管的影响，目前普遍认为氧化三甲胺对心血管是有害的。 我们2018年的研究也证明了，氧化三甲胺会促进血管的衰老。 大家知道，我们的衰老60%都归咎于血管性衰老。当然还有阿尔茨海默、帕金森，但是我们不可以忽略的就是血管衰老引起的这种血管性痴呆。 我们有幸和天坛医院的王拥军院长合作，发表了氧化三甲胺对卒中的关系。 我们发现，有一类卒中的发生和氧化三甲胺密切相关。而且有一类的病人，特别是小动脉闭塞型卒中的预后，氧化三甲胺越高，则预后越不好。 这项研究我们是看到，天坛医院建立的CNSR-III的队列，这种卒中的复发，3个月、1年的复发情况和氧化三甲胺的关系。 我们得出结论：小动脉闭塞型卒中的预后，氧化三甲胺越高，预后越不好。 另外，肺动脉高压也是一类小动脉障碍型的疾病。 我们跟阜外医院熊长明老师进行了一些合作发现，高氧化三甲胺的肺动脉高压患者，预后不好。 另外我们也做了一个大鼠实验，给了氧化三甲胺的抑制剂，发现能够改善这种肺动脉高压的症状。 我们团队还继续研究肠道菌群对心脑血管的作用，这也是一个巨大的市场。所以我也很期待将来有更多的机会跟大家合作，研究肠道菌群代谢对心脑血管疾病的影响。 肠道菌群代谢产物与非酒精性脂肪肝 第二部分是肠道菌群对内分泌的影响。我想国内做的人很多，为什么我们对这个也比较关注呢？ 大家知道，很多心血管疾病都跟肝脏功能的异常有关。所以在心血管的杂志中就曾报道过，肝脏的障碍对心血管疾病是很有害的。所以大家才会讨论到肝脏对心脑血管疾病的影响，肾脏对心脑血管疾病的影响。 所以我们2020年在《胃肠病学》上也发表了一篇文章，讨论的还是三甲基-5-氨基戊酸和非酒精性脂肪肝的影响。 其实它的机理和心脏有一点关系。肝脏也是一个重要的耗能的器官，TMAVA会影响到内源性肉碱的合成，也会影响到肝脏对长链脂肪酸的利用。如果利用的不好，就会大量的氧化应激堆积，脂肪酸的β-氧化下降，能量少了以后脂肪肝就会形成。 基于甘氨酸的三肽DT-109 我们今年有个研究，引起了很多人的关注，是我们和美国的密西根陈育庆教授团队和西安交大刘恩岐教授，我们三个团队一起做的一个研究。 我们看了3个氨基酸对脂肪肝的影响，甘氨酸-甘氨酸-L-亮氨酸（DT-109）。 我们从1000多只猴子中筛选出匹配的20只猴子，我们或者叫它脂肪肝易感。我们在20只猴子中同样进行高脂的干预，NASH的高脂干预，然后5个月再给予对照和DT-109。 我们发现，三肽对脂肪肝的效果非常好，确实引起我们的很大的关注。 我们通过小鼠实验、猴子实验发现，它都能逆转脂肪肝。这确实让我们感觉很奇妙。 所以说我们进行了广泛的代谢组学研究以及宏基因组的研究，我们想探究一下是什么因素影响到脂肪肝。 我们发现，胆汁酸起着特别重要的作用，特别是石胆酸。 我们发现DT-109会让普拉梭菌大量的增加，另外会抑制石胆酸（LCA）的产生，而石胆酸和脂肪肝非常密切相关。我们认为，三肽会通过肠道菌群影响到胆汁酸，从而治疗脂肪肝。这个研究也被今年的Nature Review 杂志综述进行讨论。 肠道菌群对内分泌的影响，我觉得有可能比心血管病更早地进行成药。大家知道，两年前的法国对菌、对糖尿病的代谢治疗产生了很多研究。我觉得在这个领域，会比心脑血管跑的更快一些。 我们针对氧化三甲胺以及一些代谢写成综述。我们觉得，肠道菌群代谢不但会影响到内分泌疾病，比如说糖尿病和脂肪肝，还会影响到心脑血管。 我们认为，其实到现在还不好说哪种菌、菌里面的酶会影响到哪个代谢，会对心脑血管有直接的治疗作用。目前成药或者明确作为保健食品的还不多，还需要更多的临床验证。 我也希望跟更多的商业团队，包括临床团队合作，让我们来确定更多的肠道菌群相关的菌株，特别是对冠心病、主动脉夹层、心衰、糖心病这一系列的心脑血管疾病的影响。 内源性代谢小分子与血管结构 第三部分，我想讨论为什么我觉得代谢对心脑血管疾病非常重要，而且在这方面有非常好的前景。 琥珀酸 2021年，我们在目前心血管领域影响因子最高的European Heart Journal 发表了一篇文章，讨论到琥珀酸会出现堆积。 在这个研究中，我们只讨论了巨噬细胞产生的琥珀酸，但大家要知道琥珀酸也是肠道菌群产生的一种代谢物。我们发现，琥珀酸可以加重主动脉瘤和夹层。 所以可见，代谢和肠道代谢对血管的结构会产生重要的影响。 去年和今年我们又发现，肠道菌群和我们人体里面产生另一种代谢物叫腐胺，可能对血管的结构产生了重要影响。 我们可以从精氨酸产生腐胺，而腐胺也可以从多种的代谢产生了多胺代谢，它在癌症中的研究很多。 但在心血管的研究中，我们发现它可以影响到平滑肌细胞，让平滑肌细胞从伸缩型变成分泌型，从而加剧动脉瘤和夹层。 我们和天坛医院王硕主任合作，把代谢的理论、把炎症因子以及疾病的表型联合起来判断，可以更好地推断颅内动脉瘤的破裂。 所以我们今年发表在Science Bulletin上，讨论了多组学联合发现动脉瘤的破裂。 而且我们今年在Signal Transduction and Targeted Therapy上，讨论了动脉瘤的治疗以及代谢对内皮细胞、平滑肌细胞、炎症细胞的影响。 CX43-PARP1-NAD+ 今天我还要重点讨论血脑屏障。为什么？因为我觉得衰老与代谢和肠道菌群代谢，是所有人关注的特别重要的问题。 包括最近抗衰老药NMN火了一阵子，它到底是否可以有效，我们也做了一个研究。 我们首先发现，血脑屏障原来不仅是对细菌感染有效，对一些逐渐的衰老、卒中、阿尔茨海默以及帕金森都起到很大的作用。 我们从单细胞测序小鼠的衰老模型中发现，内皮细胞会减少，平滑肌细胞会减少。就可见随着衰老，我们的血管结构是慢慢的变差了。 另外从单细胞测序的研究中，我们发现了一种蛋白，叫间隙连接蛋白。 大家要区分于紧密连接蛋白，它是把两种细胞紧密地连在一起。而间隙连接蛋白发挥离子通道的作用，它发挥很多传递代谢物的作用。 我们发现，随着人和老鼠的变老，内皮细胞中间隙连接蛋白的量会下降。 另外我们把小鼠的头盖骨打薄了以后，通过共聚焦的镜头放在头盖骨上，我们可以发现了血管的渗漏。如果我们把内皮细胞Connexin-43基因敲除以后，我们发现渗漏加剧了。 这就表明了人变老，Connexin-43在内皮细胞下降，然后血脑屏障逐渐地打开。 我们就很奇怪，它是不是跟离子通道和半离子通道有关。我们用了离子通道和半离子通道的抑制剂，发现并不是这个原因。 我们做了代谢组学以后发现，能量代谢大量的下降。我们用了NAD的探针发现NAD也下降了，而NAD是能量代谢的重要的中间物。 说编委会问我们，你们血脑屏障的打开和什么疾病有关，我们就提到了卒中。我们发现Connexin-43越少，脑梗的面积越大，渗漏越大。 所以我们提出来的理论是，PARP1能消耗NAD，进行DNA的修复。但是如果敲低Connexin-43以后，PARP1会激活并消耗更多的NAD，所以NAD的量就减少了，血脑屏障越打开，他的认知障碍也出来了。 这个研究，我们也是今年发表在Cell 子刊Neuron上。 我们发现，人变老以后血脑屏障逐渐打开，通过单细胞测序发现内皮细胞、平滑肌细胞变少了。在内皮细胞里，我们又发现了Connexin-43的变少，它的能量代谢下降了。为什么能量代谢下降了？因为PARP1激活了。 我们觉得抗衰老的神药，它可能在健康人中不知道会不会起到这么大的作用，但至少在这个疾病模型中它起到了很好的作用，它减少了脑梗的面积、保护了血脑屏障。另外我们用了工具药PARP1的抑制剂，也发现改善了血脑屏障。 所以我觉得NMN可能能作为某种状态下，这种血脑屏障引起的疾病的治疗。它可能不会广泛地用在每一个人的衰老，但对于某种疾病类型，它还是有一定的治疗效果的。 所以说在Neuron上也给我们一个预览（preview），讨论了能量代谢对我们大脑认知的影响，讨论了线粒体的重要性。 在内皮中，我们需要线粒体提供大量的能量，保持内皮细胞的完整性。在Connexin-43敲低了以后，我们也发现线粒体会出现异常的自噬，线粒体的数量也会减少，所以我们确实需要补充能量。 那我们怎么补充能量呢？在这个研究中，我们也提出来了NMN可能能成为补充能量的一个好的底物。所以这个研究也引起了大家很大的关注。 这个是我们的公众号，我们也会发布一些代谢、肠道代谢与心脑血管疾病和相关内分泌疾病影响的内容。 我们实验室的网站是Leminlab.com，欢迎大家多交流，希望对代谢和心脑血管疾病感兴趣的博士生来我们团队做博后。 我们最近在进行菌群改造、基因改造，也期待跟更多的菌群和菌群改造的公司进行合作，研究菌群的各种酶并进行改造，然后改造代谢物，然后将菌群移植到病人的体内，最终发挥心脑血管治疗作用。 希望肠道菌群逐渐会进入心脑血管治疗的第一线，这个是我们的期待。 最后谢谢大家！

血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）是指脑毛细血管内皮细胞、周细胞与神经胶质细胞伪足共同形成的血液与脑细胞之间的屏障，能够透过营养物质并阻止血液中的有害物质进入大脑。血脑屏障这一选择透过性结构可使脑组织免受循环血液中有害物质的损害，从而保持脑组织内环境的稳定，对维持中枢神经系统正常生理状态具有重要的生物学意义。衰老过程中血脑屏障通透性会逐步增加。血脑屏障功能紊乱与一系列的脑血管病变以及中枢神经系统疾病密切相关，包括缺血性卒中（stroke）、癫痫、阿尔茨海默症和渐冻症等。然而，衰老过程中，如何保护血脑屏障完整性，逆转后续的神经损伤，目前并不清楚。2023年9月7日，北京大学血管稳态与重构全国重点实验室与北京天坛医院的郑乐民教授团队联合王拥军教授和董尔丹教授团队在Neuron 报道了题为“NAD+ rescues aging-induced blood-brain barrier damage via the CX43-PARP1 axis”的研究论文，该文章报告了CX43-PARP1-NAD+ 通路在血脑屏障相关血管细胞衰老中的重要作用，并揭示了该通路在衰老过程中保护血脑屏障功能的潜在治疗策略。本研究中，作者首先通过小鼠脑皮层组织单细胞核测序，对BBB相关细胞亚群进行了划分，并对BBB相关细胞亚群进行了特征基因表达的表征，之后通过比较老年组和年轻组的差异，发现基因Gja1（gap junction 1的缩写，蛋白名为connexin 43，CX43）主要富集在BBB相关细胞亚群，并且在老年组中表达水平显著下降。作者继续使用了人脑前额叶皮层切片样本和老年小鼠脑组织切片样本对这一发现进行了验证，并且通过使用全身敲除CX43和血管Cdh5+组织特异性敲除CX43小鼠，利用活体双光子共聚焦荧光成像技术，发现了缺失CX43会进一步破坏BBB完整性。图1. 衰老脑皮层单细胞核测序及血脑屏障相关细胞亚群的划分为了找到CX43影响血脑屏障功能的分子机制，作者团队对小鼠脑皮层组织进行了代谢组学筛选，发现了在敲除CX43的杂合小鼠脑皮层组织中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+ ，是参与多种细胞代谢的电子受体和参与线粒体三羧酸循环和电子传递链的脱氢酶的辅酶，在代谢过程中通过转递电子，转换为其还原形式NADH）的水平明显下降。通过活体双光子荧光寿命成像技术，验证了CX43缺失导致的脑血管相关细胞内NAD+ 代谢活性率的下降。图2. 代谢组学筛选发现CX43缺失显著降低了NAD+ 水平为了进一步弄清楚CX43调控NAD+ 水平的具体机制，对与CX43相互作用的蛋白质进行了蛋白质组学分析。首先利用免疫共沉淀的方法，获得了与CX43相互作用的蛋白质，再通过高效液相-质谱/质谱联用的方法，对与CX43相互作用的蛋白质进行了分析筛选，发现了与CX43直接作用的蛋白腺苷二磷酸核糖聚合酶（poly ADP-ribose polymerase，PARP1，EC 2.4.2.30）。PARP1是NAD+的消耗酶之一，通过消耗三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）和NAD+ ，参与蛋白二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）化修饰和DNA损伤修复。接下来本研究验证了CX43与PARP1的直接相互作用，并且发现在老年样本和CX43缺失样本中，PARP1在血管相关细胞的细胞核内表达显著上升，揭示了CX43缺失条件下，PARP1活性增强，过度消耗NAD+ 的这一分子机制。最后，通过长期干预烟酰胺单核苷酸（nicotinamide mononucleotide，NMN，可经过NMN腺苷酸转移酶（NMN adenylyl-transferase，NMNAT，EC 2.7.7.1）代谢合成NAD+ ）或奥拉帕尼（Olaparib，PARP抑制剂，也作用于BRCA1或BRCA2突变，临床上用于治疗BRCA突变的肿瘤，比如乳腺癌，前列腺癌等）给药等方式，能够有效逆转衰老引起的血脑屏障损伤，并对缺血性卒中模型具有良好的保护作用。图3. CX43-PARP1轴通过调控NAD+ 水平逆转衰老相关血脑屏障损伤的示意图综上，这些发现确立了内皮细胞CX43-PARP1-NAD+ 通路在脑血管衰老中的重要作用，提出了通过奥拉帕尼抑制PARP1活性或烟酰胺单核苷酸（NMN）补充是一种潜在的治疗策略，通过缓解衰老相关的血脑屏障渗漏，以对抗衰老相关的脑血管病变和认知损伤等疾病。本文的亮点包括，1、单细胞核测序发现自然衰老过程中血脑屏障相关细胞中CX43的减少；2、Cdh5+细胞中CX43的缺失导致血脑屏障渗漏；3、CX43通过与PARP1相互作用的分子机制来调控NAD+ 水平；4、NMN干预或Olaparib给药能够有效改善衰老小鼠血脑屏障损伤。郑乐民课题组已出站博士后战锐博士（现已加入康复大学（筹）进一步开展代谢调控血脑屏障功能的相关研究，北京大学-清华大学生命科学联合中心基金支持获得者）、北京天坛医院王拥军团队孟霞医生为论文的共同第一作者。北京大学心血管研究所郑乐民教授、北京天坛医院王拥军教授、北京大学心血管研究所董尔丹教授为该论文的共同通讯作者。参与作者汕头大学田东萍教授，北京天坛医院许杰博士为本文提供了重要帮助。文章同时受到了美国贝勒医学院孙正教授、美国密歇根大学陈育庆教授的大力支持与帮助。该研究工作获得了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划等项目支持，得到了北京大学血管稳态与重构全国重点实验和国家神经系统疾病临床医学研究中心脑库的大力支持和帮助。郑乐民也作为第一获奖人获得北京医学科技奖一等奖，目前该团队也在和北大临床医院联合招收博士后。文章来源“iNature”责编|文竞择校对|文竞择End往期精选围观历史性突破！不需卵子和精子就可以合成人类胚胎热文富豪用儿子血浆“回春”科学吗？Science：血液牛磺酸缺乏驱动衰老热文世界首例！35岁的她，通过机器人操刀移植的子宫，成功诞下宝宝热文为了避免心脏骤停，53岁的他成为“第一个”植入开创性除颤器的心脏病患者热文首次披露！175家生物制药公司的薪资数据：薪资中位数达20万美元点击“阅读原文”，了解更多~