作者首先确认了GDF11主要在成年小鼠、狨猴和人脑的兴奋性神经元（EN）中表达，并且GDF11在EN中的表达随自然衰老进程而降低。为研究兴奋性神经元中内源性GDF11与神经元衰老之间的关系，研究人员通过选择性地删除小鼠中枢神经系统EN中的GDF11，构建了GDF11cKO小鼠。结果显示，中枢神经系统EN中GDF11的缺失会优先诱导特定脑区(扣带回、岛叶和梨状皮层)的细胞衰老，主要衰老细胞是兴奋性神经元，表明EN中内源性GDF11是其维持年轻状态所必需的。此外，相对于对照小鼠，GDF11cKO小鼠的寿命缩短10%，证明兴奋性神经元中的GDF11在脑衰老甚至全身衰老中发挥着至关重要的作用。体外实验中，研究人员利用CRISPR/Cas9技术在Neuro-2a细胞中敲除GDF11，结果发现敲除GDF11加快细胞衰老，体内和体外实验得到一致的结果。
图1.兴奋性神经元中GDF11的缺失导致细胞衰老和大脑老化
为探究兴奋性神经元中内源性GDF11与神经元衰老之间的关系，研究人员采用Cre/loxp策略，通过向GDF11f/f小鼠的扣带回皮层（Cg2）中注射AAV9-CaMKIIα-Cre-EGFP病毒，在小鼠扣带回兴奋性神经元中特异性敲除GDF11。结果显示，敲除GDF11后，EN自身的兴奋性增强，其接收的抑制性输入减少,但增加了兴奋性输入，这种动态平衡最终导致神经元的过度兴奋。行为学测试揭示局部性和系统性的GDF11缺失都会使小鼠的社交能力、社会记忆和物体识别记忆恶化，这表明通过敲除GDF11诱导EN细胞衰老足以引起认知能力下降。
图2.兴奋性神经元中GDF11的缺失会损害认知和记忆
研究人员进一步探究了体内GDF11缺失诱导的EN加速衰老的细胞通路，发现敲除GDF11影响衰老相关基因的表达和衰老相关的生物学过程，且显著上调促衰老关键因子p21。为研究EN诱导的EN衰老中GDF11的缺失是否也需要p21，生成了GDF11和p21双敲除小鼠，进一步验证了p21在GDF11缺失诱导的EN衰老中是必需的。机制上，GDF11敲除上调Smad2磷酸化，促进Smad2/3复合体进入细胞核，然后Smad2结合p21启动子并促进p21的转录，以诱导兴奋性神经元衰老。
图3.p21是体内兴奋性神经元GDF11缺失诱导衰老所必需的
本研究表明GDF11的缺失促进通过Smad2诱导的p21上调，导致神经元衰老以及脑衰老，并影响认知功能和小鼠寿命，揭示了GDF11延缓兴奋性神经元衰老、脑老化和维持寿命的分子机制。
