成年后海马体还能长出新神经元吗？——衰老与阿尔茨海默病的影响

在啮齿类动物中，齿状回颗粒下层神经干细胞（NSCs）生成新神经元的转录和表观遗传机制已明确，海马神经发生在学习记忆中起关键作用，随年龄增长减少，在阿尔茨海默病（AD）模型中受损并导致记忆缺陷。但人类大脑神经发生的命运、调控机制及认知功能作用知之甚少，其存在与否过去几年存在争议，主要源于物种特异性神经发生标志物、样本处理等限制。虽有研究证实成人大脑存在未成熟神经元且AD中数量减少，部分祖细胞有增殖迹象，但仍存在表观遗传基础、基因调控网络及与认知功能关联等知识空白。

为解决这些问题，研究对不同队列人群的海马组织进行了单细胞RNA测序（snRNA-seq）和单细胞转座酶可及染色质测序（snATAC-seq）分析，队列包括：认知完整的年轻人（YA）、认知正常的老年人（HA）、可能从HA向AD过渡的临床前中间病理状态者（PCI）、AD患者及记忆能力超群的超级老人（SA）。

在神经发生调控网络方面，研究首先分析了8名20-40岁认知完整成年人的85,977个 nuclei，通过机器学习标签转移算法识别出包括神经母细胞和未成熟神经元在内的12种细胞类型。RNA velocity分析揭示了从NSCs到星形胶质细胞亚群，再经未成熟神经元向神经母细胞、成熟颗粒神经元的发育轨迹，人类NSCs与啮齿类相似，表达高干细胞标志物和低神经元标志物。snATAC-seq分析通过染色质可及性进一步验证了干细胞特性，NSCs中与多谱系潜能相关区域染色质可及性高，神经母细胞和未成熟神经元中神经元成熟标志物相关区域开放染色质水平高。差异表达基因（DEGs）和差异可及区域（DARs）分析显示，NSCs的DEGs和DARs在神经母细胞中下调，在未成熟神经元中进一步下调，而神经母细胞的DEGs和DARs在NSCs中下调。通路分析发现NSCs富集β-连环蛋白等发育通路，未成熟神经元富集突触功能和可塑性通路。转录因子（TF）基序富集显示NSCs中STAT家族等TFs促进干细胞维持和增殖，未成熟神经元中RFX2等TFs调控神经元分化成熟。通过TF-peak-基因 trio 方法和SCENIC+推断的增强子驱动基因调控网络（eGRNs），建立了成人大脑神经发生的多分子框架。

关于年龄和认知诊断对神经发生的影响，研究分析了HA、PCI、AD和SA队列的nuclei。所有队列均检测到YA组的细胞类型，但PCI和AD组NSCs数量显著增加，AD组神经母细胞和未成熟神经元数量较HA和YA组显著减少，AD组未成熟神经元数量也较PCI组显著减少。神经发生的年龄和诊断驱动改变主要体现在DARs数量多于DEGs，表明染色质可及性的表观遗传差异是认知老化差异的更稳健分子标志。DAR基序富集显示差异可及染色质区域的顶级基序属于锌指TF家族，下调最显著的基序属于RFX家族。PCI组神经母细胞和未成熟神经元中存在一组DARs下调，AD组进一步下调，这些DARs的靶基因通路与神经元结构功能维持、突触可塑性和神经元发育相关，提示DARs下调导致神经发生异常，且NSCs最早发生年龄相关改变。

在年龄和诊断相关调控网络方面，使用SCENIC+推断eGRNs，发现NSCs在eRegulon水平形成独特簇，扩散分析显示NSCs、神经母细胞和未成熟神经元的谱系连续性。HA组驱动神经发生的eRegulons在PCI和AD组中下调，而PCI和AD组上调另一组eRegulons，其中部分是YA组NSCs的顶级eRegulons，这可能解释AD中NSCs数量增加。不同认知队列的NSCs存在不同的激活子和抑制子eRegulons，SA组有独特的eRegulon特征，AD组有独特的激活子上调而其他显著下调，还存在年龄驱动的eRegulon特征。

关于神经发生的韧性特征，SA组未成熟神经元数量较其他队列显著增加（排除异常值后仍有2.5倍增加），神经母细胞数量较AD组显著增加。SA组神经发生特征主要归因于DARs，未成熟神经元和神经母细胞中大量DARs上调，少数关键基因如BDNF（脑源性神经营养因子）和CALB1上调，NEUROD6和NECTIN3下调。韧性评分分析显示，YA、HA和SA组的基因和开放染色质区域表达稳定，AD组显著下调，尤其在开放染色质区域。通路分析显示NSCs的韧性基因富集增殖和生长相关通路，神经母细胞富集线粒体和内体通路等，未成熟神经元富集RNA结合和蛋白结合等通路。SA组与YA组共享部分eRegulons，也有独特eRegulons，表明YA和SA组神经发生的转录景观存在转变，且SA组的独特eRegulon特征部分独立于年龄影响。

在成功与不成功老化方面，研究识别了维持海马认知完整性（HIPPI）或导致病理老化的分子信号。SA与HA相比及PCI与HA、YA相比，CA1神经元中DEGs最多，星形胶质细胞中DARs最多，少突胶质前体细胞和成熟少突胶质细胞也有显著改变。CA1神经元中HIPPI基因与神经元功能和神经传递相关，星形胶质细胞DARs的基序分析显示FOS-JUN bZIP因子富集。CellChat分析显示神经发生细胞、星形胶质细胞和CA1神经元间的神经连接蛋白-神经配蛋白等突触复合物通路在SA和HA组增强，在PCI和AD组减弱，表明兴奋性突触完整性的维持是健康认知老化的标志和潜在干预靶点。

总之，本研究描绘了海马神经发生的分子特征及其随年龄和认知状态的改变，染色质可及性差异是不同老化相关认知损害轨迹的更明确标志，确定了认知韧性的分子网络，为未来靶向治疗保留老化认知功能提供了基础。