衰老是一個永恒的話題，也是科研熱點。運動鍛煉能延緩衰老，但老年群體由于身體虛弱或健康狀態不佳，會降低鍛煉的能力或意愿。如通過合適的干預延緩大腦的衰老，可有助于降低年齡相關神經退行性疾病的發生率。因此，找出運動緩解衰老的分子機制，開發防治年齡相關神經退行性疾病的藥物，對改善老年群體的健康狀況具有重要的意義。

2020年7月，加州大學舊金山分校Saul A. Villeda等研究團隊在《Science》（IF=41.8）上發表了題為“Blood factors transfer beneficial effects of exercise on neurogenesis and cognition to the aged brain”的研究文章，首先利用蛋白組學和過表達動物模型發現和明確了蛋白酶Gpld1是運動改善老年小鼠神經元功能的關鍵因子，然后利用蛋白組學和酶活突變體探究和驗證了Gpld1的調控機制，闡明了Gpld1在運動緩解神經元衰老中的作用與機理，為防治年齡相關的神經退行性疾病提供了新的方向和理論依據。

研究材料

1、老年運動小鼠（18月齡，連續跑步6周）和老年靜坐小鼠（18月齡）血漿；

2、老年運動小鼠，老年靜坐小鼠，成年運動小鼠（7月齡）和成年靜坐小鼠（7月齡）血清和各器官組織；

3、老年運動人群和老年靜坐人群血清；

4、Gpld1過表達小鼠（Gpld1）和對照組小鼠（Ctrl）血清及海馬組織；

5、Gpld1酶活突變體小鼠（H133N），Gpld1過表達小鼠（Gpld1）和對照組小鼠（Ctrl）血清及海馬組織。

技術方法

iTRAQ 、Label-free蛋白組學、免疫組化、qPCR、Western Blot等

實驗路線圖


研究結果


老年運動組血漿可改善小鼠海馬區受損的神經元和認知能力

分別取老年運動組及老年靜坐組小鼠血漿注射到另一組老年靜坐小鼠，檢測發現：注射運動組血漿可同時增加老年小鼠海馬新生神經元和成熟神經元的數量，并增高海馬區神經營養因子BDNF的表達，以及改善老年小鼠海馬依賴性學習記憶障礙。說明運動改善神經元功能的因子。


運動組血漿對小鼠海馬區神經元和認知影響


蛋白組學篩選功能蛋白

?通過蛋白組和WB驗證發現運動組（老年/成年）對比靜坐組（老年/成年）血清中Gpld1的表達水平顯著增加，并且在老年人群（運動組VS靜坐組）血清樣本中得到了驗證。說明Gpld1很有可能參與了運動改善神經元功能的作用。


運動組和靜坐組血清中蛋白表達差異


Gpld1功能驗證

作者先是在各器官組織中檢測發現Gpld1在肝臟中高表達，并且運動組肝臟中的表達比靜坐組更高。通過高壓尾靜脈注射Gpld1-GFP質粒構建肝臟Gpld1過表達模型，發現肝臟中過表達Gpld1也可以改善神經元功能。


Gpld1對神經元功能的改善作用


Gpld1作用機制探究

為探究Gpld1的作用機理，作者通過蛋白組學分析發現：過表達Gpld1組血清中表達差異最大的40個蛋白在uPAR信號通路有富集，而uPAR是GPI的錨定底物。提示Gpld1可能通過水解GPI-錨定底物發揮運動改善神經元功能的作用。


Gpld1過表達后血清中差異蛋白表達分析


Gpld1酶活突變體功能驗證

為驗證Gpld1通過酶解作用改善神經元功能，作者通過構建突變體Gpld1過表達模型發現：Gpld1-H133N過表達不能改善神經元功能，而野生型Gpld1過表達可以改善神經元功能。說明Gpld1是通過酶活發揮改善神經元功能的作用。


Gpld1-H133N過表達對神經元功能的影響

小結

本研究從運動引起的差異表達蛋白入手，通過構建關鍵蛋白的過表達模型驗證了Gpld1改善神經元功能的作用，再通過蛋白組檢測Gpld1過表達引起的蛋白表達譜改變探究其作用機理，最后通過酶活突變體驗證Gpld1通過酶活發揮對神經元功能的改善作用。該篇文章展示了非常經典的研究模式：蛋白組學篩選-功能驗證-組學機制探究-機制驗證，發現并驗證了Gpld1在運動改善神經元功能中的作用和機制，為開發老年人群抗神經衰老藥物提供了非常有價值的研究基礎和理論依據。