Vědci zjišťují, jak stárnutí znovu deformuje molekulární krajinu mozku

Vědci zjišťují, jak stárnutí znovu deformuje molekulární krajinu mozku

Nový výzkum odhaluje buněčná tajemství stárnutí pomocí špičkových jednobuněčných dat ukazujících neurony, gliové buňky a imunitní systémy, které přetvářejí stárnoucí mozek.

Ve studii nedávno zveřejněné v časopisePřírodaVědci z Allen Institute for Brain Science v USA zkoumali, jak se různé typy buněk v mozku myší mění na genetické úrovni s věkem. Analýzou více než 1,2 milionu jednobuněčných transkriptomů z mladých a starých myší vědci identifikovali klíčové posuny genové exprese spojené se stárnutím. Tyto posuny zdůrazňují specifické molekulární mechanismy, jako je imunitní aktivace a pokles strukturální integrity napříč různými typy buněk. Tyto výsledky by mohly pomoci odhalit oblasti mozku a buňky nejvíce postižené stárnutím.

pozadí

Hypotalamus jako centrum stárnutí: Studie identifikovala hypotalamus, zejména oblast třetí komory, jako centrální hotspot pro stárnutí s významnými molekulárními změnami v tanycytech, ependymálních buňkách a neuronech spojených s energetickou homeostázou.

Stárnutí je přirozený proces charakterizovaný buněčnými a molekulárními změnami, které ovlivňují celkovou funkci. V mozku se stárnutí projevuje mimo jiné jako změněná buněčná aktivita, záněty a snížená neurogeneze. Předchozí studie identifikovaly obecné markery stárnutí napříč tkáněmi a některé změny specifické pro mozek. Vzhledem ke složitosti mozku a jeho četným buněčným typům a funkcím však zůstává nejasné, jak konkrétní typy buněk přispívají ke stárnutí. ENTRAGE REQUIREMENTS ukázal, že určité oblasti, jako je třetí komora hypotalamu, slouží jako ohnisko pro změny související s věkem. Nedávné pokroky v jednobuněčné transkriptomice poskytly bezprecedentní pohled na buněčnou diverzitu, což výzkumníkům umožňuje identifikovat změny ve vysokém rozlišení.

Zatímco tyto studie ukázaly posuny v neuronech a gliových buňkách související s věkem, chybí komplexní mapování v celém mozku. Toto mapování nyní odhalilo odlišné vzorce stárnutí specifické pro buněčný typ, včetně imunitní aktivace a poklesu neuronů. Navíc specifické změny v menších, přehlížených buněčných populacích a jejich příspěvek ke zdraví mozku a stárnutí zůstávají neprozkoumané. Pochopení této dynamiky je zásadní pro odhalení mechanismů, které řídí kognitivní a funkční pokles související s věkem, a jejich potenciální souvislosti s neurodegenerativními onemocněními.

O studiu

V této studii bylo jednobuněčné sekvenování ribonukleové kyseliny (SCRNA-Seq) použito k vyšetření mozků mladých (2měsíčních) a starých (18měsíčních) myší. Vědci se zaměřili na 16 klíčových oblastí mozku a zahrnovali přední mozek, střední mozek a zadní mozek. Tyto regiony byly vybrány pro jejich zapojení do stárnutí a nemocí souvisejících s věkem. Pomocí 10x genomické platformy vědci vytvořili datový soubor přibližně 1,2 milionu vysoce kvalitních jednobuněčných transkriptomů z neuronů a neneuronových buněk. Je pozoruhodné, že se jedná o jeden z nejkomplexnějších datových souborů s jednou buňkou pro výzkum stárnutí k dnešnímu dni. Další strategie třídění buněk poskytly komplexní vzorkování mezi typy buněk a studie zahrnovala třídění buněk aktivovaných fluorescencí (FACS) pro nestranné vzorkování neuronů a jiných buněk.

Prozánětlivé mikrogliální shluky: Výzkum odhalil tvorbu nových protizánětlivých mikrogliálních shluků ve starých mozcích, spojených se stárnutím a zvýšenou imunitní signalizací, zejména v subkortikálních oblastech.

K anotaci dat byl použit Allen Brain Cell Atlas, otevřený zdroj vyvinutý Allen Institutem, který umožňuje výzkumníkům zkoumat četné soubory dat napříč mozkem. Výsledky identifikovaly 847 buněčných shluků reprezentujících 172 podtříd ve 25 buněčných třídách. Kromě toho byly změny v genové expresi modelovány pomocí výpočetních metod k detekci odlišně exprimovaných genů spojených se stárnutím. Prostorová transkriptomika byla také použita k získání další validace a vizualizace genové exprese v oblastech mozku zájmových oblastí mozku.

Četné další analýzy byly použity ke kategorizaci odlišně exprimovaných genů podle buněčné třídy a podtřídy při rozlišování změn souvisejících s věkem v neuronech, gliových buňkách a dalších typech buněk. To zahrnovalo identifikaci specifických prozánětlivých mikrogliálních shluků a věkově odpovídajících populací nervových kmenových buněk. Zvláštní pozornost byla věnována řídce distribuovaným populacím, jako jsou ependymální buňky a tanycyty, specializovaným gliovým buňkám v hypotalamu a zapojeným do regulace fyziologických procesů, jako je energetická bilance.

Kromě toho byly provedeny analýzy genové ontologie nebo obohacení GO k identifikaci biologických procesů ovlivněných stárnutím, jako jsou: B. Imunitní signalizace a udržování neuronální struktury. Tyto analýzy odhalily významné ztráty neurogenního potenciálu a strukturálního zachování, zejména v tanycytech a neuronech v blízkosti třetí komory hypotalamu. Klíčové vzorce genové exprese byly identifikovány pomocí in situ hybridizace pro doplnění transkriptomických nálezů.

Výsledky

Studie zjistila, že stárnutí vede k významným změnám v genové expresi v různých typech mozkových buněk a identifikovala 2 449 odlišně exprimovaných genů s jedinečnými a sdílenými podpisy napříč buněčnými typy. Neurony, gliové a vaskulární buňky vykazovaly odlišné vzorce genové exprese s mnoha odlišně exprimovanými geny spojenými s imunitní aktivací, strukturální integritou a buněčnou senescencí.

Integrita myelinu v oligodendrocytech: Studie zjistila, že poruchy funkce oligodendrocytů související s věkem se změněnou expresí genů pro transport lipidů a biosyntézu, což ukazuje na zhoršenou údržbu myelinové pochvy.

Je pozoruhodné, že neurony vykazovaly sníženou expresi synaptické signalizace a strukturálních genů, jako je CCND2, zatímco mikroglie vykazovaly zvýšení zánětlivých markerů, jako jsou ILDR2 a CCL4. Gliové buňky, jako jsou astrocyty a oligodendrocyty, vykazovaly sníženou expresi genů souvisejících s podporou. Naproti tomu exprese genů souvisejících s imunitou byla vyšší v mikrogliích, makrofázích a dalších typech imunitních buněk.

Kromě toho bylo pozorováno, že změny specifické pro oblast byly výrazné v blízkosti hypotalamické třetí komory, kde tanycyty a ependymální buňky vykazovaly výrazné posuny související s věkem. Tyto posuny zahrnovaly zvýšenou signalizaci odezvy na interferon a snížené markery strukturální údržby. Podobně oligodendrocyty ve starých mozcích vykazovaly změněné vzorce genové exprese, což naznačuje zhoršenou integritu myelinu.

Cévní buňky, zejména endoteliální buňky, také vykazovaly změny genové exprese související s věkem spojené s geny zapojenými do reprezentace hlavního histokompatibilního komplexu (MHC) se známkami zhoršené vaskulární funkce. Kromě toho mikrogliální buňky ve starých mozcích vytvořily nové shluky, které byly spojeny s prozánětlivými a senescentními stavy. Prostorové analýzy potvrdily zvýšenou imunitní aktivitu lokalizovanou v subkortikálních oblastech, zejména ve středním a zadním mozku.

Závěry

Výsledky poskytly podrobnou jednobuněčnou transkriptomickou mapu stárnutí mozku a již se nezaměřovaly na buněčné a oblastně specifické molekulární změny spojené se stárnutím. Tato zjištění zdůrazňují hypotalamus jako centrum pro změny související se stárnutím s významnými důsledky pro pochopení neurodegenerativních onemocnění. Klíčová zjištění prokázala roli imunitní aktivace, poklesu neuronů a gliové dysfunkce ve stárnutí. Tato zjištění položila základ pro výzkum toho, jak stárnutí ovlivňuje funkci mozku a jeho průnik s neurodegenerativními onemocněními.

Zdroje: