Учените откриват как стареенето изкривява отново молекулярния пейзаж на мозъка

Учените откриват как стареенето изкривява отново молекулярния пейзаж на мозъка

Ново изследване разкрива клетъчните тайни на стареенето, използвайки авангардни данни от една клетка, показващи невроните, глиалните клетки и имунната система, които преработват стареещия мозък.

В проучване, публикувано наскоро в спПриродатаУчени от Института за мозъчни науки Алън в САЩ изследваха как различните видове клетки в мозъка на мишката се променят на генетично ниво с възрастта. Чрез анализиране на над 1,2 милиона едноклетъчни транскриптоми от млади и стари мишки, изследователите идентифицираха ключови промени в генната експресия, свързани със стареенето. Тези промени подчертават специфични молекулярни механизми, като имунна активация и спад на структурната цялост в различни типове клетки. Тези резултати могат да помогнат за разкриване на мозъчни области и клетки, които са най-засегнати от стареенето.

фон

Хипоталамусът като център на стареенето: Проучването идентифицира хипоталамуса, особено третата вентрикуларна област, като централна гореща точка за стареене, със значителни молекулярни промени в таницитите, епендималните клетки и невроните, свързани с енергийната хомеостаза.

Стареенето е естествен процес, характеризиращ се с клетъчни и молекулярни промени, които засягат цялостната функция. В мозъка стареенето се проявява като, наред с други неща, променена клетъчна активност, възпаление и намалена неврогенеза. Предишни проучвания идентифицираха общи маркери за стареене в тъканите и някои специфични за мозъка промени. Въпреки това, като се има предвид сложността на мозъка и неговите многобройни типове клетки и функции, остава неясно как конкретни видове клетки допринасят за стареенето. ENTRAGE REQUIREMENTS показа, че определени региони, като третата камера на хипоталамуса, служат като фокус за промени, свързани с възрастта. Последните постижения в едноклетъчната транскриптомика предоставиха безпрецедентна представа за клетъчното разнообразие, позволявайки на изследователите да идентифицират промени с висока резолюция.

Въпреки че тези проучвания показват свързани с възрастта промени в невроните и глиалните клетки, всеобхватно картографиране в целия мозък липсва. Това картографиране вече разкрива различни модели на стареене, специфични за клетъчния тип, включително имунна активация и невронален спад. Освен това, специфични промени в по-малки, пренебрегвани клетъчни популации и техният принос за здравето на мозъка и стареенето остават неизследвани. Разбирането на тази динамика е от решаващо значение за разкриването на механизмите, водещи до свързания с възрастта когнитивен и функционален спад и потенциалните им връзки с невродегенеративните заболявания.

Относно изследването

В настоящото изследване е използвано секвениране на едноклетъчна рибонуклеинова киселина (SCRNA-Seq) за изследване на мозъците на млади (2-месечни) и възрастни (18-месечни) мишки. Изследователите са се насочили към 16 ключови области на мозъка и са включили предния, средния и задния мозък. Тези региони бяха избрани заради тяхното участие в стареенето и свързаните с възрастта заболявания. Използвайки платформата за геномика 10x, изследователите генерираха набор от данни от приблизително 1,2 милиона висококачествени едноклетъчни транскриптоми от неврони и не-невронни клетки. Трябва да се отбележи, че това е един от най-изчерпателните едноклетъчни набори от данни за изследване на стареенето до момента. Допълнителните стратегии за сортиране на клетки осигуряват цялостно вземане на проби между видовете клетки и изследването включва флуоресцентно-активирано сортиране на клетки (FACS) за безпристрастно вземане на проби от неврони и други клетки.

Провъзпалителни микроглиални клъстери: Изследванията разкриха образуването на нови, противовъзпалителни микроглиални клъстери в остарели мозъци, свързани със стареене и повишена имунна сигнализация, особено в подкоровите области.

Атласът на мозъчните клетки на Алън, отворен ресурс, разработен от Института Алън, който позволява на изследователите да изследват множество набори от данни в мозъка, беше използван за анотиране на данните. Резултатите идентифицират 847 клетъчни клъстера, представляващи 172 подкласа в 25 клетъчни класа. В допълнение, промените в генната експресия бяха моделирани с помощта на изчислителни методи за откриване на диференциално експресирани гени, свързани със стареенето. Пространствената транскриптомика също беше използвана за получаване на допълнителна валидация и визуализиране на генната експресия в мозъчните региони на мозъчните региони, представляващи интерес.

Множество други анализи са използвани за категоризиране на диференциално експресирани гени по клетъчни класове и подкласове, докато се разграничават свързаните с възрастта промени в неврони, глиални клетки и други типове клетки. Това включва идентифициране на специфични провъзпалителни микроглиални клъстери и съответстващи на възрастта популации от нервни стволови клетки. Особено внимание се обръща на рядко разпределени популации като епендимни клетки и таницити, специализирани глиални клетки в хипоталамуса и участващи в регулирането на физиологични процеси като енергиен баланс.

Освен това бяха извършени анализи на генна онтология или обогатяване на GO, за да се идентифицират биологичните процеси, засегнати от стареенето, като: B. Имунно сигнализиране и поддържане на невронна структура. Тези анализи откриват значителни загуби в неврогенен потенциал и структурна поддръжка, особено в таницити и неврони близо до третата камера на хипоталамуса. Ключови модели на генна експресия бяха идентифицирани с помощта на in situ хибридизация, за да допълнят транскриптомните открития.

Резултати

Проучването установи, че стареенето води до значителни промени в генната експресия в различни типове мозъчни клетки и идентифицира 2449 диференциално експресирани гена с уникални и споделени сигнатури в клетъчните типове. Невроните, глиалните и васкуларните клетки показват различни модели на генна експресия, с много диференциално експресирани гени, свързани с имунна активация, структурна цялост и клетъчно стареене.

Целостта на миелина в олигодендроцитите: Проучването установи, че свързаните с възрастта нарушения във функцията на олигодендроцитите с променена експресия на липиден транспорт и гени за биосинтеза, което показва нарушена поддръжка на миелиновата обвивка.

По-специално, невроните показват намалена експресия на синаптична сигнализация и структурни гени като CCND2, докато микроглията показва увеличение на възпалителни маркери като ILDR2 и CCL4. Глиални клетки като астроцити и олигодендроцити показват намалена експресия на гени, свързани с подкрепата. Обратно, експресията на имунно-свързани гени е по-висока в микроглия, макрофаги и други видове имунни клетки.

Освен това се наблюдава, че специфичните за региона промени са изразени близо до третата камера на хипоталамуса, където таницитите и епендималните клетки показват забележими промени, свързани с възрастта. Тези смени включват повишено сигнализиране на реакцията на интерферон и намалени маркери за структурна поддръжка. По подобен начин олигодендроцитите в старите мозъци показват променени модели на генна експресия, което предполага нарушена цялост на миелина.

Съдовите клетки, по-специално ендотелните клетки, също показват свързани с възрастта промени в генната експресия, свързани с гените, участващи в представянето на основния комплекс на хистосъвместимост (MHC), с признаци на нарушена съдова функция. Освен това микроглиалните клетки в старите мозъци образуват нови клъстери, които са свързани с провъзпалителни и стареещи състояния. Пространствените анализи потвърждават повишена имунна активност, локализирана в подкоровите области, особено в средния и задния мозък.

Изводи

Резултатите предоставят подробна едноклетъчна транскриптомна карта на стареенето на мозъка и вече не се фокусират върху клетъчно-специфични и специфични за региона молекулярни промени, свързани със стареенето. Тези открития подчертават хипоталамуса като център за промени, свързани със стареенето, със значителни последици за разбирането на невродегенеративните заболявания. Ключови констатации демонстрират ролята на имунната активация, невронния упадък и глиалната дисфункция при стареенето. Тези открития поставиха основата за изследване на това как стареенето засяга мозъчната функция и нейната пресечна точка с невродегенеративните заболявания.

източници: