Nature丨对抗大脑老化和认知损伤新见解？加州大学最新研究揭示母体X染色体对雌性小鼠认知和脑老化的影响

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《动物行为实验指南》共674页，涵盖了常见的实验动物，如小鼠、大鼠和斑马鱼，详细描述了每一种行为测试的实验设计、测试设备、实验流程、评估指标、预期结果、常见问题及解决方法、数据分析、模型应用与局限性等各个方面。它通过快速引导，帮助研究人员高效地掌握实验的每个阶段，减少了查阅文献和寻找方法的时间，成为各类科研人员的重要参考资料。 《动物行为实验指南》共计收录了16种动物行为类型，包括焦虑抑郁、学习记忆、痛觉、运动、恐惧、社交、癫痫、操作、成瘾、视觉、痒觉、味觉、嗅觉、睡眠、斑马鱼行为以及常见动物模型等内容。每一类动物行为下，都详细介绍了多个经典的实验范式，涵盖了超过100种实验方法。

雌性哺乳动物细胞有两条X染色体，一条来自母体，另一条来自父体。在发育过程中，一条X染色体随机失活。这使得母体X（Xm）染色体或父体X（Xp）染色体失活，导致X嵌合体在雌性个体之间变化，有些人的X染色体显示出相当大的或完全的偏斜，并保持活性。然而，X染色体倾斜或其嵌合体是否会改变女性个体的功能，在很大程度上是未知的。

2025年1月22日，加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所Samira Abdulai-Saiku 及其团队，在Nature杂志发表题为《The maternal X chromosome affects cognition and brain ageing in female mice》的文章，作者发现，在雌性小鼠的整个生命周期中，与X嵌合体相比，向Xm染色体倾斜会越来越损害认知能力。了解Xm如何损害大脑功能，可以更好地了解女性个体认知健康的异质性，以及X染色体衍生的防止认知缺陷和大脑衰老的途径。

• Xm 和器官功能，以及Xm 损害认知能力

为了评估整体健康状况，作者将同窝出生的 Xm+Xp 和 Xm 小鼠饲养至老年，并描述了各个器官系统的测量结果。作者测量了中年阶段的心脏功能、骨密度、身体成分和能量代谢，中年是一个容易因衰老而导致功能障碍的生命阶段。结果显示，仅 Xm 染色体的表达不会改变中年雌性小鼠的心脏、骨骼和代谢功能。作者接下来评估了 Xm 和 Xm+Xp 小鼠在整个生命周期中的行为和认知指标。

在测量空间学习和记忆的 Morris 水迷宫实验中，Xm 和 Xm+Xp 幼鼠（4-8 个月）在隐藏平台试验中表现出相当的空间学习能力。相比之下，在测量小鼠记住平台位置能力的探测试验中，Xm 小鼠的记忆力受损；此外，在高架十字迷宫 (EPM)的开放臂中花费的时间（用于测量焦虑样行为）以及在 EPM 中行进的距离在各组幼鼠之间也相似，这表明这些障碍与空间记忆特别相关。

接下来，作者使用不同的测试来评估 Xm 是否会影响整个生命周期的空间记忆。作者在旷场中重复测试了年轻、中年和老年 Xm+Xp 和 Xm 小鼠的空间记忆。在年轻阶段，Xm 在基线时活动增加，随后在相同的空间环境中习惯于与Xm+Xp 对照组相似的活动水平。在中年时期，与Xm+Xp 对照组相比，Xm 增加了空间环境的遗忘。在老年时期，Xm 进一步加剧了遗忘。Xm 随着年龄的增长记忆力越来越差；

因此，作者接下来在两次试验 Y 迷宫中测试了每组的年轻和老年小鼠，这是一项对衰老过程中工作记忆和空间记忆缺陷敏感的任务。在年轻阶段，Xm 和 Xm+Xp 小鼠的测量结果没有差异。在老年阶段，Xm 降低了小鼠在新奇事物中花费的时间与在熟悉事物中花费的时间之比，表明与 Xm+Xp 对照组相比，记忆力下降。因此，Xm 损害了老年雌性小鼠的工作记忆和空间记忆。

• Xm 的表观遗传沉默

接下来，作者研究了 Xm 染色体是否经历了基因沉默，这是一种表观遗传的亲本效应。为了在本研究中实现高分辨率，作者将RNA 测序 (RNA-seq)应用于转基因雌性小鼠，这些小鼠的 X 亲本被 Xm（用 GFP 标记）和 Xp（用 tdTomato 标记）细胞进行了神经元特异性标记。

使用细胞分选，作者从经历了随机 X 染色体失活的年轻和老年雌性 XX 海马中分离出 Xm 和 Xp 神经元（两者基因相同），并进行了生物信息学分析。作者检测到了大约 1,500 个已知 X 染色体基因中的 848 个，并应用既定标准来检测印记。

如热图所示，Xm 染色体显示 9 个基因沉默或印记，包括 Sash3、Tlr7 和 Cysltr1，这些基因沉默最为强烈。在年轻和老年小鼠的海马中均观察到了这种情况。基因分布在整个 X 染色体上，在 Xm 染色体上几乎检测不到，而在 Xp 染色体上表达非常高。此外，Xp 染色体显示两个基因 Xlr3b 和 Trpc5 沉默。此外，作者通过实时定量 PCR（RT-qPCR）对年轻小鼠的 Sash3、Tlr7 和 Cysltr1 mRNA 进行验证，从而验证了年轻海马中的 RNA 测序数据，并发现了相似的表达模式。

• CRISPR 激活 Xm 沉默基因，Xm 基因的 CRISPRa 可改善认知能力

作者假设，选择性 Xm 印记（或沉默）基因，特别是在海马齿状回内的网络认知中心，可能导致认知衰老背后的神经元功能受损。为了验证这一点，作者确定了选择性 Xm 印记基因的功能获得（通过上调）是否可以改善认知本身，这是随着年龄增长而下降的大脑功能最有价值和最核心的表现。

作者在神经元中应用了CRISPR 激活 (CRISPRa) 技术，以同时上调 Sash3、Tlr7 和 Cysltr1 的表达。作者测试了通过 CRISPRa 介导的 Sash3、Tlr7 和 Cysltr1 上调增加 Xm 印记基因的功能增益是否改善了衰老女性大脑的认知能力。在Morris水迷宫实验中，与对照组相比，Xm 印记基因的上调增加了空间学习能力和平台位置的记忆能力；测量了在目标象限中花费的时间百分比，因为它显示了老年小鼠的动态测定范围。游泳速度和找到可见平台的延迟在各组之间没有差异。同样，在新位置识别实验中，Xm 印记基因的上调改善了空间学习和记忆能力。在EPM实验中，实验组之间的焦虑样行为并无差异，表明功能的获得特定于空间学习和记忆。总的来说，这些数据表明 Xm 印迹基因的 CRISPRa 在功能上改善了衰老女性大脑的认知能力。

总结

雌性哺乳动物细胞有两条X染色体，一条来自母体，另一条来自父体。在发育过程中，一条X染色体随机失活。这使得母体X（Xm）染色体或父体X（Xp）染色体失活，导致X嵌合体在雌性个体之间变化，有些人的X染色体显示出相当大的或完全的偏斜，并保持活性。X染色体的父母可以通过DNA甲基化和可能的基因表达来改变表观遗传学；因此，嵌合体可以缓冲衰老和疾病中的失调过程。然而，X染色体倾斜或其嵌合体是否会改变女性个体的功能，在很大程度上是未知的。

在这里，作者测试了向活跃的Xm染色体倾斜是否会影响大脑和身体。然后描述了Xm神经元和Xp神经元的独特特征。活跃的Xm染色体在雌性小鼠的整个生命周期中损害认知，并导致认知随着年龄的增长而恶化。认知缺陷伴随着Xm介导的海马生物学或表观遗传老化的加速，在雌性小鼠中，Xm是学习和记忆的关键中心。几个基因被印记在海马神经元的Xm染色体上，表明认知位点沉默。CRISPR介导的Xm印记基因的激活改善了衰老雌性小鼠的认知能力。

因此，Xm染色体损害认知，加速大脑衰老，并沉默有助于衰老认知的基因。了解Xm如何损害大脑功能，可以更好地了解女性个体认知健康的异质性，以及X染色体衍生的防止认知缺陷和大脑衰老的途径。

研究展望

与那些X染色体嵌合现象更平衡的X染色体的父母相比，即使没有突变，向活跃的Xm染色体倾斜的女性个体随着年龄的增长也可能经历认知功能下降，或者可能增加神经退行性疾病如阿尔茨海默病的风险。这可能是由于表达Xm的海马神经元中缺乏某些X基因，了解神经元中X染色体的表观遗传亲本沉默，可以解开X染色体衍生的通路，从而对抗认知缺陷和大脑老化。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08457-y

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