2023年9月7日，北京大學(xué)心血管研究所、北京大學(xué)血管穩(wěn)態(tài)與重構(gòu)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭樂民教授與董爾丹教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京天壇醫(yī)院王擁軍教授團(tuán)隊(duì)，共同合作在Neuron雜志上發(fā)表題為“NAD+ rescues aging-induced blood-brain barrier damage via the CX43-PARP1 axis”的研究論文。該研究報(bào)告了CX43-PARP1-NAD+通路在血腦屏障相關(guān)血管細(xì)胞衰老中的重要作用，并揭示了該通路在衰老過程中保護(hù)血腦屏障功能的潛在治療策略。

論文截圖

血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）是指腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞偽足共同形成的血液與腦細(xì)胞之間的屏障，能夠透過營養(yǎng)物質(zhì)并阻止血液中的有害物質(zhì)進(jìn)入大腦。血腦屏障這一選擇透過性結(jié)構(gòu)可使腦組織免受循環(huán)血液中有害物質(zhì)的損害，從而保持腦組織內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，對(duì)維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常生理狀態(tài)具有重要的生物學(xué)意義。衰老過程中血腦屏障通透性會(huì)逐步增加。血腦屏障功能紊亂與一系列的腦血管病變以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)，包括缺血性卒中（stroke）、癲癇、阿爾茨海默癥和漸凍癥等。然而，衰老過程中，如何保護(hù)血腦屏障完整性，逆轉(zhuǎn)后續(xù)的神經(jīng)損傷，目前并不清楚。

圖1. 衰老腦皮層單細(xì)胞核測(cè)序及血腦屏障相關(guān)細(xì)胞亞群的劃分

本研究中，作者首先通過小鼠腦皮層組織單細(xì)胞核測(cè)序，對(duì)BBB相關(guān)細(xì)胞亞群進(jìn)行了劃分，并對(duì)BBB相關(guān)細(xì)胞亞群進(jìn)行了特征基因表達(dá)的表征，之后通過比較老年組和年輕組的差異，發(fā)現(xiàn)基因Gja1（gap junction 1的縮寫，蛋白名為connexin 43，CX43）主要富集在BBB相關(guān)細(xì)胞亞群，并且在老年組中表達(dá)水平顯著下降。作者繼續(xù)使用了人腦前額葉皮層切片樣本和老年小鼠腦組織切片樣本對(duì)這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并且通過使用全身敲除CX43和血管Cdh5+組織特異性敲除CX43小鼠，利用活體雙光子共聚焦熒光成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了缺失CX43會(huì)進(jìn)一步破壞BBB完整性。

圖2. 代謝組學(xué)篩選發(fā)現(xiàn)CX43缺失顯著降低了NAD+水平

為了找到CX43影響血腦屏障功能的分子機(jī)制，作者團(tuán)隊(duì)對(duì)小鼠腦皮層組織進(jìn)行了代謝組學(xué)篩選，發(fā)現(xiàn)了在敲除CX43的雜合小鼠腦皮層組織中，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+，是參與多種細(xì)胞代謝的電子受體，和參與線粒體三羧酸循環(huán)和電子傳遞鏈的脫氫酶的輔酶，在代謝過程中通過轉(zhuǎn)遞電子，轉(zhuǎn)換為其還原形式NADH）的水平明顯下降。通過活體雙光子熒光壽命成像技術(shù)，驗(yàn)證了CX43缺失導(dǎo)致的腦血管相關(guān)細(xì)胞內(nèi)NAD+代謝活性率的下降。

為了進(jìn)一步弄清楚CX43調(diào)控NAD+水平的具體機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)與CX43相互作用的蛋白質(zhì)進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析。他們首先利用免疫共沉淀的方法，獲得了與CX43相互作用的蛋白質(zhì)，再通過高效液相-質(zhì)譜/質(zhì)譜聯(lián)用的方法，對(duì)與CX43相互作用的蛋白質(zhì)進(jìn)行了分析篩選，發(fā)現(xiàn)了與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，通過消耗三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）和NAD+，參與蛋白二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）化修飾和DNA損傷修復(fù)。接下來本研究驗(yàn)證了CX43與PARP1的直接相互作用，并且發(fā)現(xiàn)在老年樣本和CX43缺失樣本中，PARP1在血管相關(guān)細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)表達(dá)顯著上升，揭示了CX43缺失條件下，PARP1活性增強(qiáng)、過度消耗NAD+的這一分子機(jī)制。

最后，研究團(tuán)隊(duì)通過長期干預(yù)煙酰胺單核苷酸【nicotinamide mononucleotide，NMN，可經(jīng)過NMN腺苷酸轉(zhuǎn)移酶（NMN adenylyl-transferase，NMNAT，EC 2.7.7.1）代謝合成NAD+】或奧拉帕尼（Olaparib，PARP抑制劑，也作用于BRCA1或BRCA2突變，臨床上用于治療BRCA突變的腫瘤，比如乳腺癌、前列腺癌等）給藥等方式，能夠有效逆轉(zhuǎn)衰老引起的血腦屏障損傷，并對(duì)缺血性卒中模型具有良好的保護(hù)作用。

圖3.? CX43-PARP1軸通過調(diào)控NAD+水平逆轉(zhuǎn)衰老相關(guān)血腦屏障損傷的示意圖

綜上，這些發(fā)現(xiàn)確立了內(nèi)皮細(xì)胞CX43-PARP1-NAD+通路在腦血管衰老中的重要作用，提出了通過奧拉帕尼抑制PARP1活性或煙酰胺單核苷酸補(bǔ)充是一種潛在的治療策略，通過緩解衰老相關(guān)的血腦屏障滲漏，以對(duì)抗衰老相關(guān)的腦血管病變和認(rèn)知損傷等疾病。

鄭樂民課題組已出站博士后戰(zhàn)銳博士【現(xiàn)已加入康復(fù)大學(xué)（籌）進(jìn)一步開展代謝調(diào)控血腦屏障功能的相關(guān)研究，北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心基金支持獲得者】、王擁軍團(tuán)隊(duì)孟霞醫(yī)生為論文的共同第一作者。鄭樂民、王擁軍、董爾丹為該論文的共同通訊作者。參與作者汕頭大學(xué)田東萍教授，北京天壇醫(yī)院許杰博士為本文提供了重要幫助。文章同時(shí)受到了美國貝勒醫(yī)學(xué)院孫正教授、美國密歇根大學(xué)陳育慶教授的大力支持與幫助。該研究工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持，得到了北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部-德國烏爾姆大學(xué)神經(jīng)科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)血管穩(wěn)態(tài)與重構(gòu)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和國家神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心腦庫的大力支持和幫助。

鄭樂民團(tuán)隊(duì)長期從事代謝性心腦血管疾病的相關(guān)研究，近年來在細(xì)胞代謝功能對(duì)疾病影響等方面取得了系列研究成果，提出了多個(gè)重要的心腦血管疾病干預(yù)生物靶標(biāo)，為早期干預(yù)和治療代謝紊亂致心腦血管功能失衡提供了重要的理論基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化前景。課題組研究主要聚焦在細(xì)胞代謝物對(duì)腦血管功能，如血腦屏障和缺血性卒中的影響（Neuron 2023，Stroke 2022，Cell Death&Dis 2018）；代謝物對(duì)大血管疾病，如主動(dòng)脈夾層發(fā)病的影響（European Heart J 2021，Advances Sci 2022，Cardiovasc Res 2021，STTT 2023）；以及代謝對(duì)心臟與肝臟等器官代謝功能的影響（Cell Metabolism 2023，Nat Commun 2022，Kidney Int 2021）等。鄭樂民也作為第一獲獎(jiǎng)人獲得2022年北京醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

來源：北京大學(xué)