Science重磅： 锻炼小鼠的血浆因子可以改善衰老

从古到今，人们一直在上下求索，试图找到灵丹妙药，延缓衰老。中国古代时，秦始皇曾派数百人，出海寻找蓬莱山上的仙人，寻求长生不老药。后道教中出现了专门炼丹服药的流派，目的也是为了长生不老。在名著《西游记》中，各路妖怪纷纷想吃唐僧肉获得长生，也反映了芸芸众生渴望长生不老的梦想。

人类真能找到长生不老的秘诀吗？最近，有科学家的研究发现，为这一问题带来了希望的曙光。2020年7月10日，来自美国加州大学的Saul A. Villeda团队在Science杂志上发表了题为Blood factors transfer beneficial effects of exercise on neurogenesis and cognition to the aged brain 的研究性论文，发现全身应用锻炼小鼠的血浆，可改善老年海马体，与年龄相关的，成年神经发生和认知功能的损伤。而且，确定肝源的糖基磷脂酰肌醇（GPI）特异性磷脂酶D1（Gpld1），是锻炼诱导的循环血液因子，能够改善老年小鼠海马的功能。

1. 研究背景

研究发现，通过锻炼等系统性干预措施，来逆转或延迟衰老对大脑的影响，有助于减轻与年龄相关的神经退行性疾病的脆弱性。虽然锻炼有显著益处，但老年人身体虚弱或健康状况不佳，锻炼的能力或意愿也在降低。对老年人来说，锻炼改善衰老充满阻碍。因此，根据锻炼的益处，探索可应用的治疗方法至关重要。

有研究发现，在动物模型中，锻炼可以逆转神经发生和认知功能的下降。同样，利用年轻动物进行换血，可以改善老年小鼠的再生能力和认知能力。鉴于锻炼与年轻血液之间的相似性，该研究探索了锻炼诱导的血液循环因子，是否可以像运动一样，呈现出对衰老大脑的再生和认知功能的有益作用。

2. 研究内容

(1) 全身应用锻炼老年鼠的血浆改善海马体功能

首先，研究人员表征了锻炼对老年海马的效果。老年鼠进行6周的跑步锻炼后，成年神经发生增加，脑源性神经营养因子（BDNF）表达增加，海马依赖性的学习和记忆也改善了。

那么，运动对老年海马体的这些影响，是否可以通过应用运动诱发的血液循环因子来实现呢？因此，从锻炼和久坐的老年鼠中收集血液并分离血浆。然后，在3周内，对独立的一组空白老年鼠，静脉注射来自锻炼或久坐的老年鼠的血浆，共8次。

通过免疫组化分析了成年神经发生。在接受血浆的小鼠上，海马的齿状回区域含有双皮质素的新生神经元的数量有所增加。随后，通过BrdU整合，评估了神经元的分化和存活。接受血浆的小鼠，在齿状回中表达BrdU和NeuN的成熟神经元数量增加（成熟的分化神经元同时表达BrdU和神经元标记NeuN）。此外，还在接受血浆的小鼠上，检测到BDNF的增加。

为了进一步评估锻炼老年鼠血浆的效果，研究人员使用了放射臂水迷宫（RAWM）和情境恐惧条件训练。相比于接受久坐老年鼠血浆时，接受锻炼老年鼠血浆后，小鼠的学习和记忆得到了改善，且情境冻结反应增加。这些数据表明，运动诱导的血液循环因子，可以减轻老年小鼠海马依赖性学习和记忆障碍。

(2) Gpld1改善老年鼠的再生和认知能力下降

既然锻炼老年鼠的血浆能改善年龄相关的海马损伤，那么是否存在单个血液循环因子介导这些作用的呢？研究者联用等压标记与液相色谱-串联质谱，测量锻炼或久坐的老年和成年小鼠血浆中可溶性蛋白质的相对含量。锻炼老年鼠中，30个因子的丰度增加，锻炼成年鼠中，33个因子增加。根据Tabula Muris汇编的小鼠单细胞转录组数据和蛋白图谱，在老年和成熟小鼠中，锻炼诱导的因子分别有63％和67％主要在肝脏中表达，其中包括Gpld1在内的12个因子增加。使用STRING进行功能丰度分析，发现在大多数代谢过程中，Gpld1表达增加。

因此，研究者选择研究Gpld1，这是一种GPI降解酶，之前未报道它与衰老，神经发生或认知的联系。在锻炼老年和成年鼠的血浆中，Gpld1浓度增加。而且在锻炼和久坐的老年小鼠中，观察到血浆中Gpld1浓度增加与RAWM和情境恐惧条件测试中，认知能力的改善之间存在显著的相关性。此外，研究者还在活跃的，健康的老年人血浆中检测到了Gpld1的增加。这些数据表明，Gpld1是运动诱导的老年鼠和人的循环血液因子，与小鼠的认知功能具有潜在的相关性。

为了确定Gpld1的来源，研究者在小鼠全身各组织上检测了Gpld1的mRNA的表达。在肝脏中，Gpld1显著高表达。与久坐鼠相比，锻炼老年鼠肝脏中的Gpld1表达增加。这证明了Gpld1是锻炼老年鼠的肝脏来源。

研究者进一步检测了Gpld1对老年海马的作用，使用高压尾静脉注射（HDTVI）的方法。在HDTVI老年鼠上，肝脏Gpld1 mRNA表达增加，血浆Gpld1浓度增加。而且，成年神经生成和BDNF表达增加。在RAWM和新奇事物认知测试（NOR）试验中，HDTVI老年鼠犯错率显著降低。 

(3）Gpld1引起凝血和补体信号传导级联响应

接下来，研究者进一步寻找肝源性Gpld1的作用机制。为了评估Gpld1穿越血脑屏障的潜力，构建了高亲和力的纳米荧光擦除组成技术（HiBiT）标记的Gpld1表达载体。HiBiT是一种对大型BiT（LgBiT）具有高亲和力的小肽，形成发光信号复合物，从而可以对标记的蛋白质进行灵敏和定量检测。小鼠尾静脉注射HiBiT Gpld1，显示肝来源的Gpld1不能进入大脑。

那么，是否Gpld1的底物可以进入大脑，从而起作用呢？研究者调查了与Gpld1底物相关的信号级联的前20个上调和下调蛋白，并检测了尿激酶型纤溶酶原激活剂受体（uPAR）信号通路的变化。uPAR是Gpld1 GPI锚定的底物，其蛋白水解功能调节纤溶酶原（Plg）激活系统。结果显示，锻炼HDTVI老年鼠的Plg降低，这之前的蛋白质组学分析结果一致。而且，锻炼和Gpld1过表达，两种情况下都涉及凝血以及补体系统的生物学过程。总之，GPI锚定的底物裂解的下游信号级联的系统性变化，与Gpld1和锻炼的有益作用相关。

（4）GPI锚定的底物裂解对Gpld1改善老年海马是必要的

肝脏来源的系统性Gpld1的酶活性，以及随后的GPI锚定的底物裂解，是否直接介导了其对老年海马体成年神经发生和认知功能的影响。

Gpld1的催化活性取决于His133和His158，并且任一位点的突变都会消除酶促活性。因此，研究者生成了编码具有定点His→Asn突变（H133N）的Gpld1的表达构建体，并在体外验证了GPI锚定底物裂解的功能丧失。

研究者在老年鼠中观察到， Gpld1表达增加后，成年神经发生增加，BDNF表达增加，以及RAWM和NOR任务中认知改善。但是，在H133N Gpld1表达增加的老年小鼠中，没有观察到差异。这表明，肝源性全身性Gpld1的酶活性，对老年海马的影响是必要的，且与GPI锚定的底物裂解后的信号级联一致。

3. 研究思路

4. 展望

我们脑洞大开一下，如果这项发现能够推广到人类，人类再也不用面对衰老带来的困惑和无奈，就像打美容针一样，只要注射一针Gpld1，就可以轻轻松松变得年轻，逆转衰老了。当然，这是一种美好的设想。这项研究也只是基础性的，在小鼠上的研究结果，从小鼠到人类究竟还有多远，就像古代的长生不老秘诀一样，我们终究是无从得知的。

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