衰老通过间隙连接蛋白Connexin 43影响脑血管新生及血脑屏障通透性的作用机制研究

Aging was considered as a key risk factor of cardiovascular and cerebral vascular diseases. Brain aging might induce vascular endothelial cells aging and blood-brain barrier (BBB) impairment. Gap junction (GJ) proteins could form molecular channels on cellular membrane, and participant in signal transduction between cell and cell or cell and extracellular niche. Whether GJ protein Connexin 43 (CX43) influencing BBB function during aging had yet to be elucidated. Our previously studies found that aging induced CX43 down-regulation in cerebral vascular. CX43 down-regulation correlated with angiogenesis decreasing, BBB leakage and intestinal flora disorders. In this proposal, we hypothesis that aging-related CX43 decreasing deteriorated endothelial functions, injured BBB integrity; induced intestinal flora producing metabolite LPS increasing, which was considered as a high-risk factor of neuronal inflammation; CX43 regulated endothelial cells to release ATP, promoted angiogenesis and fixed the leakage of BBB. After all, our proposal will confirm the underlying mechanisms of CX43 in regulating BBB integrity and cerebral vascular angiogenesis during aging.

衰老是心脑血管疾病发生的关键风险因素。衰老引起内皮细胞老化，导致血脑屏障破坏。间隙连接蛋白能形成细胞膜表面通道，主要介导细胞-细胞间及细胞-细胞外微环境间的信号分子传导。在衰老过程中间隙链接蛋白Connexin 43(CX43) 是否参与血脑屏障的功能调控并不清楚。我们的研究前期发现，衰老引起CX43在脑血管内皮细胞中表达下降，CX43水平下降与血管新生下降、血脑屏障破坏及肠道菌群紊乱具有相关性。因此，本项目假设CX43参与血脑屏障完整性的调控：衰老会引起内皮细胞CX43表达下调，CX43下调导致内皮细胞功能障碍，衰老内皮细胞无法正常维持血脑屏障完整性；衰老也能引起肠道菌群代谢产物LPS水平上升，LPS被认为是引起神经炎症的风险因素；CX43通过调控内皮细胞释放ATP，介导脑微血管新生，修补血脑屏障渗漏点。综上，本项目将明确CX43在衰老过程中调控血脑屏障内皮细胞血管新生的重要作用机制。

血脑屏障（BBB）功能在衰老过程中逐步恶化，导致认知障碍和神经退行性病变。目前尚不清楚衰老过程中BBB泄漏的原因以及有效的预防策略。本项目首先使用单细胞核转录组学，确定了自然衰老小鼠脑血管钙黏蛋白5（Cdh5+）细胞中间隙连接蛋白（CX43）的表达减少，并进一步利用小鼠脑组织和人脑前额叶组织切片样本证实了这一点。小鼠中CX43的全身性或Cdh5+细胞特异性敲除在衰老或慢性炎症期间加剧了BBB功能障碍。有趣的是，CX43依赖性效应并非由于其经典的缝隙连接功能，而是与细胞内NAD+水平降低和通过NAD+依赖性sirtuin 3（SIRT3）导致的线粒体功能障碍有关。CX43与NAD+消耗酶多聚ADP核糖聚合酶1（PARP1）相互作用，并通过影响其定位在细胞质中来负调节PARP1水平。奥拉帕尼（Olaparib）对PARP1的药理抑制作用或补充NAD+前体烟酰胺单核苷酸（NMN）的干预手段，可挽救NAD+水平，并减轻CX43缺陷小鼠衰老相关的BBB泄漏现象。SIRT3缺失导致BBB功能障碍，与CX43缺陷几乎相同，但不能通过补充NAD+来缓解。CX43在炎症过程中正向调节apelin（APLN）表达，APLN模拟肽apelin-13对BBB损伤显示出有效的治疗效果。这些发现确立了内皮CX43-PARP1-NAD+通路在血管老化中的重要作用，并确定了一种潜在的治疗策略，以对抗与老化相关的BBB泄漏，并具有一定的神经保护意义。