作者首先確認了GDF11主要在成年小鼠、狨猴和人腦的興奮性神經元（EN）中表達，并且GDF11在EN中的表達隨自然衰老進程而降低。為研究興奮性神經元中內源性GDF11與神經元衰老之間的關系，研究人員通過選擇性地刪除小鼠中樞神經系統EN中的GDF11，構建了GDF11cKO小鼠。結果顯示，中樞神經系統EN中GDF11的缺失會優先誘導特定腦區(扣帶回、島葉和梨狀皮層)的細胞衰老，主要衰老細胞是興奮性神經元，表明EN中內源性GDF11是其維持年輕狀態所必需的。此外，相對于對照小鼠，GDF11cKO小鼠的壽命縮短10%，證明興奮性神經元中的GDF11在腦衰老甚至全身衰老中發揮著至關重要的作用。體外實驗中，研究人員利用CRISPR/Cas9技術在Neuro-2a細胞中敲除GDF11，結果發現敲除GDF11加快細胞衰老，體內和體外實驗得到一致的結果。
圖1.興奮性神經元中GDF11的缺失導致細胞衰老和大腦老化
為探究興奮性神經元中內源性GDF11與神經元衰老之間的關系，研究人員采用Cre/loxp策略，通過向GDF11f/f小鼠的扣帶回皮層（Cg2）中注射AAV9-CaMKIIα-Cre-EGFP病毒，在小鼠扣帶回興奮性神經元中特異性敲除GDF11。結果顯示，敲除GDF11后，EN自身的興奮性增強，其接收的抑制性輸入減少,但增加了興奮性輸入，這種動態平衡最終導致神經元的過度興奮。行為學測試揭示局部性和系統性的GDF11缺失都會使小鼠的社交能力、社會記憶和物體識別記憶惡化，這表明通過敲除GDF11誘導EN細胞衰老足以引起認知能力下降。
圖2.興奮性神經元中GDF11的缺失會損害認知和記憶
研究人員進一步探究了體內GDF11缺失誘導的EN加速衰老的細胞通路，發現敲除GDF11影響衰老相關基因的表達和衰老相關的生物學過程，且顯著上調促衰老關鍵因子p21。為研究EN誘導的EN衰老中GDF11的缺失是否也需要p21，生成了GDF11和p21雙敲除小鼠，進一步驗證了p21在GDF11缺失誘導的EN衰老中是必需的。機制上，GDF11敲除上調Smad2磷酸化，促進Smad2/3復合體進入細胞核，然后Smad2結合p21啟動子并促進p21的轉錄，以誘導興奮性神經元衰老。
圖3.p21是體內興奮性神經元GDF11缺失誘導衰老所必需的
本研究表明GDF11的缺失促進通過Smad2誘導的p21上調，導致神經元衰老以及腦衰老，并影響認知功能和小鼠壽命，揭示了GDF11延緩興奮性神經元衰老、腦老化和維持壽命的分子機制。
