衰老（aging）是一种无可避免的、保守的生物学现象。随着目前生活水平的提高和全球人类社会老龄化加快，平均寿命的延长却并不意味着健康寿命的增加。衰老往往伴随着身体机能以及认知功能等诸多方面的降低，而其确切的变化机制仍不甚清晰[1]。同样，大脑作为最重要的认知功能器官，如何抵御衰老是一种个体特征，但其神经和分子基础仍未得到充分了解。对这些问题的深入研究将不仅有助于了解衰老这一现象，延缓衰老及延长寿命，更重要的是为开发有效且安全延长健康寿命的干预措施奠定基础。2022年12月5日，德国柏林自由大学Stephan J Sigrist课题组在PLoS Biology上发表了题为 “A brain-wide form of presynaptic active zone plasticity orchestrates resilience to brain aging in Drosophila” 的研究论文。该研究以黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）为模型，阐述了大脑作为应激整合的中央调节器，是如何在整个生命周期的不同阶段整合关于寿命、记忆以及睡眠等相关信息，并权衡生存策略的。作者发现全脑突触活性区可塑性（PreScale）伴随果蝇生命周期成倒“U”型变化：PreScale随年龄增加，直至中年，随后开始下降。这种突触可塑性的变化影响了老龄果蝇的睡眠模式，降低了它们的学习记忆能力，但这很可能是果蝇延长生存时长的一种策略。课题组前期相关研究发现，在成年果蝇早期衰老（early aging）的过程中，突触活性区骨架蛋白BRP和介导突触囊泡释放的Unc-13蛋白表达水平随年龄增加而上升。类似的突触活性区变化在睡眠剥夺和睡眠突变体果蝇的大脑中也可以观察到。通过遗传学方法调节BRP的表达水平可以引起一系列突触蛋白的伴随变化和突触可塑性的变化，并且高BRP表达水平的果蝇表现出更高的睡眠需求和类似年老果蝇的学习记忆能力水平下降[2, 3]。研究者将这种与衰老和睡眠相关的全脑范围的突触活性区可塑性变化称为PreScale。在本研究中，研究人员进一步描述了PreScale在整个果蝇生命周期的变化趋势。果蝇的寿命在实验室饲养条件下可达3个月。免疫蛋白印记分析显示，一系列突触蛋白包括BRP、Unc-13、Synapsin和Dlg1等的表达水平在果蝇成虫约30-40天龄，即衰老早期（early aging）达到顶峰，随后开始下降，而同时在成虫40天龄后，即衰老后期（advanced aging），果蝇的生存率伴随着这些突触蛋白在大脑内表达水平的减少而下降（图1）。这些结果说明PreScale在果蝇的整个生命周期中呈双相变化，而其转折点在中年期。（图源：S. Huang and C. Piao, et al., PLoS Biol, 2022）研究人员进一步发现，通过遗传学方法调节果蝇BRP的表达水平，模拟早期衰老PreScale的变化，不仅能在行为水平上复现老龄果蝇学习记忆能力的下降，并且在睡眠稳态相关的神经元和脑区中表现出类似早期衰老果蝇大脑的神经活动性变化。为探究在早期衰老的过程中PreScale上升的可能功能，即其究竟是一种不利的衰老表型还是一种大脑对抗老化的保护性策略，研究者监测了具有不同brp基因拷贝表达水平的果蝇的寿命。当逐步增加brp的基因拷贝数由1至3时（野生型果蝇具有2个基因拷贝brp），果蝇的寿命长度显示出逐步且显著的提升，但当提升brp的基因拷贝至4时，果蝇寿命反而缩短（图2）。研究中也发现，在睡眠突变体的背景下由2个brp的基因拷贝数增加至3个基因拷贝时，可以延长它们相较于野生型果蝇缩短的寿命长度。然而，3个brp基因拷贝在延长果蝇生存周期的同时，并没有提高老龄果蝇的学习记忆能力，而且反而减低了年轻果蝇的记忆水平（图2）。这提示了，BRP介导的PreScale伴随早期衰老过程的变化可能是延长寿命的一种应对机制，但在特定的年龄阶段其对于寿命的调节存在一个最优的水平限制。由于学习记忆是一个高能耗的过程，而衰老伴随着代谢的降低和学习记忆的下降，所以早期衰老过程中PreScale对于寿命的延长有可能是其在生存和学习记忆等行为之间的抉择。图2 PreScale在早期衰老的过程中促进生存而非学习记忆（图源：S. Huang and C. Piao, et al., PLoS Biol, 2022）如前所述，以往研究表明，睡眠缺失亦可导致PreScale的上升变化，并且BRP介导的PreScale编码果蝇的睡眠需求以及调控睡眠稳态[3]。在本研究中，研究者发现在早期衰老过程中PreScale的上升与果蝇年龄相关的机体运动和睡眠表型变化息息相关。通过降低brp的基因拷贝数来抑制PreScale，果蝇表现出更年轻的睡眠状态。显然，PreScale是果蝇在生命前半期，对抗早期衰老的一种在生存、休息、睡眠和学习记忆等复杂行为间权衡的一种策略。那么，是否有可能通过重置这种突触可塑性的变化，打破寿命和学习记忆间的竞争，从而达到一种聪明且健康的长寿模式呢。（图源：S. Huang and C. Piao, et al., PLoS Biol, 2022）亚精胺（spermidine）先前被证明可以抑制与早期衰老相关的PreScale上升和学习记忆的下降[2]，在本文中研究者发现其也可以抑制年龄相关的机体运动和睡眠模式变化。他们还尝试用药物诱导果蝇睡眠，来重置在中年果蝇大脑中已经发生的PreScale变化。作者发现在衰老早期，通过饲喂30天龄果蝇48小时GABAA受体激动剂THIP诱导的睡眠可以逆转PreScale，同时挽救衰老导致的学习记忆能力下降。然而在衰老后期，当50天龄果蝇PreScale上升已经达到顶峰并开始下降时，THIP诱导的睡眠就不再能改善果蝇的学习记忆水平了（图3）。这也说明了PreScale随果蝇生命周期先上升后下降的双相变化实际为可塑可逆和不可塑不可逆的两个阶段。研究人员还发现饲喂THIP可以显著延长雌性果蝇的寿命（图4）。这些结果表明，通过干预手段来打破正常早期衰老伴随的PreScale能逆转或延缓衰老的进程，并同时为学习记忆能力的提升和寿命的延长提供可能。（图源：S. Huang and C. Piao, et al., PLoS Biol, 2022）图5 PreScale如何在睡眠稳态、学习记忆和寿命间进行权衡的模型（图源：S. Huang and C. Piao, et al., PLoS Biol, 2022）综上所述，该研究应用遗传学、分子生物学以及行为分析等多种手段，描述了突触可塑性PreScale在果蝇衰老早期和后期的变化和作用。PreScale通过权衡果蝇早期衰老过程中的睡眠、生存和学习记忆能力来整合大脑的衰老抵御能力。PreScale在衰老早期上升，是大脑的一种弹性应变方式，是一种可塑且可逆的变化，从而调节长寿、睡眠和记忆形成之间的权衡。在衰老早期通过亚精胺或诱导睡眠等干预可以重置PreScale，在改善学习记忆的同时延长果蝇的寿命（图5）。而在衰老后期，随着PreScale下降，大脑很可能进入了一种不可逆转的非弹性变化阶段，果蝇死亡率开始上升，并且干预措施也无法挽救衰老导致的相关变化。
该研究阐述了早期衰老伴随的突触可塑性PreScale介导生存与学习记忆之间的权衡机制，并且揭示了针对早期衰老阶段干预的重要性。基于此发现，衰老早期补充睡眠或亚精胺可以作为延长健康寿命的一种有效手段。
当然，这项研究还存在一些有待解决的问题。如在3拷贝brp情况下，PreScale是如何延长寿命的，相关的分子机制是什么。PreScale导致了果蝇记忆和睡眠相关脑区神经元不同激活水平的变化，因此这种全脑可塑性如何具体影响行为调控相关的脑环路并调节行为仍需后续研究解答。目前，作者将通过深入的蛋白组学分析等手段进一步解释PreScale的工作机制。原文链接：https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001730
本论文的共同第一作者为柏林自由大学的Sheng Huang（黄胜）博士和 Chengji Piao （朴成姬）博士。 Stephan J Sigrist教授为本文的通讯作者。通讯作者：Stephan J Sigrist (左)；第一作者：Sheng Huang (中)，Chengji Piao (右) (照片提供自：柏林自由大学Stephan J Sigrist实验室)通讯作者介绍 Stephan J Sigrist，德国柏林自由大学生物学教授。实验室致力于研究突触可塑性与突触活性区结构重塑的分子机制，及其在记忆和睡眠等行为中的调控作用。实验室主页https://www.activezone-berlin.de/main/index.html
[1] Partridge L, Deelen J, Slagboom PE. Facing up to the global challenges of ageing. Nature. 2018; 561(7721):45–56.[2] Gupta VK, Pech U, Bhukel A, Fulterer A, Ender A, Mauermann SF, et al. Spermidine Suppresses Age-Associated Memory Impairment by Preventing Adverse Increase of Presynaptic Active Zone Size and Release. PLoS Biol. 2016; 14(9):e1002563.[3] Huang S, Piao C, Beuschel CB, Gotz T, Sigrist SJ. Presynaptic Active Zone Plasticity Encodes Sleep Need in Drosophila. Curr Biol. 2020.