Forskere opdager, hvordan aldring ændrer hjernens molekylære landskab

Forskere opdager, hvordan aldring ændrer hjernens molekylære landskab

Ny forskning afslører de cellulære hemmeligheder ved aldring ved hjælp af banebrydende enkeltcelledata, der viser neuroner, gliaceller og immunsystemer, der genopretter den aldrende hjerne.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftetNaturForskere ved Allen Institute for Brain Science i USA undersøgte, hvordan forskellige celletyper i musehjernen ændrer sig på genetisk niveau med alderen. Ved at analysere over 1,2 millioner enkeltcellede transkriptomer fra unge og gamle mus, identificerede forskere vigtige genekspressionsskift forbundet med aldring. Disse skift fremhæver specifikke molekylære mekanismer såsom immunaktivering og strukturel integritetsnedgang på tværs af forskellige celletyper. Disse resultater kan hjælpe med at afsløre hjerneregioner og celler, der er mest påvirket af aldring.

baggrund

Hypothalamus som en aldringshub: Undersøgelsen identificerede hypothalamus, især den tredje ventrikulære region, som et centralt hotspot for aldring med betydelige molekylære ændringer i tanycytter, ependymale celler og neuroner forbundet med energihomeostase.

Aldring er en naturlig proces karakteriseret ved cellulære og molekylære ændringer, der påvirker den overordnede funktion. I hjernen viser aldring sig som blandt andet ændret celleaktivitet, inflammation og nedsat neurogenese. Tidligere undersøgelser har identificeret generelle aldringsmarkører på tværs af væv og nogle hjernespecifikke ændringer. Men i betragtning af hjernens kompleksitet og dens talrige celletyper og funktioner, er det stadig uklart, hvordan specifikke celletyper bidrager til aldring. ENTRAGE KRAV har vist, at visse regioner, såsom den tredje ventrikel af hypothalamus, tjener som fokus for aldersrelaterede ændringer. Nylige fremskridt inden for enkeltcellet transkriptomik har givet hidtil uset indsigt i cellulær diversitet, hvilket gør det muligt for forskere at identificere ændringer i høj opløsning.

Selvom disse undersøgelser har vist aldersrelaterede skift i neuroner og gliaceller, mangler der en omfattende kortlægning på tværs af hele hjernen. Denne kortlægning har nu afsløret forskellige celletype-specifikke aldringsmønstre, herunder immunaktivering og neuronal tilbagegang. Desuden forbliver specifikke ændringer i mindre, oversete cellepopulationer og deres bidrag til hjernens sundhed og aldring uudforsket. At forstå disse dynamikker er afgørende for at afdække de mekanismer, der driver aldersrelateret kognitiv og funktionel tilbagegang og deres potentielle forbindelser til neurodegenerative sygdomme.

Om studiet

I denne undersøgelse blev enkeltcellet ribonukleinsyresekventering (SCRNA-Seq) brugt til at undersøge hjernen hos unge (2 måneder gamle) og gamle (18 måneder gamle) mus. Forskerne målrettede 16 nøgleregioner i hjernen og inkluderede forhjernen, mellemhjernen og baghjernen. Disse regioner blev udvalgt for deres involvering i aldring og aldersrelaterede sygdomme. Ved hjælp af 10x genomics-platformen genererede forskerne et datasæt med cirka 1,2 millioner højkvalitets enkeltcelle-transkriptomer fra neuroner og ikke-neuronale celler. Dette er især et af de mest omfattende enkeltcelledatasæt til aldringsforskning til dato. Yderligere cellesorteringsstrategier gav omfattende prøveudtagning mellem celletyper, og undersøgelsen omfattede fluorescensaktiveret cellesortering (FACS) til upartisk prøveudtagning af neuroner og andre celler.

Pro-inflammatoriske mikrogliale klynger: Forskning afslørede dannelsen af ​​nye, anti-inflammatoriske mikrogliale klynger i gamle hjerner, forbundet med ældning og øget immunsignalering, især i subkortikale områder.

Allen Brain Cell Atlas, en åben ressource udviklet af Allen Institute, der gør det muligt for forskere at undersøge adskillige datasæt på tværs af hjernen, blev brugt til at kommentere dataene. Resultaterne identificerede 847 celleklynger, der repræsenterede 172 underklasser i 25 celleklasser. Derudover blev ændringerne i genekspression modelleret ved hjælp af beregningsmetoder til at detektere differentielt udtrykte gener forbundet med aldring. Spatial transcriptomics blev også brugt til at opnå yderligere validering og visualisere genekspression i hjerneområder af hjerneområder af interesse.

Talrige andre analyser er blevet brugt til at kategorisere differentielt udtrykte gener efter celleklasse og underklasse, mens man skelner mellem aldersrelaterede ændringer i neuroner, gliaceller og andre celletyper. Dette omfattede identifikation af specifikke pro-inflammatoriske mikrogliale klynger og aldersmatchede neurale stamcellepopulationer. Særlig opmærksomhed er blevet rettet mod tyndt udbredte populationer såsom ependymale celler og tanycytter, specialiserede gliaceller i hypothalamus og involveret i reguleringen af ​​fysiologiske processer såsom energibalance.

Derudover blev der udført Gene Ontology eller GO berigelsesanalyser for at identificere de biologiske processer, der påvirkes af aldring, såsom: B. Immunsignalering og vedligeholdelse af neuronal struktur. Disse analyser opdagede betydelige tab i neurogent potentiale og strukturel vedligeholdelse, især i tanycytter og neuroner nær den hypothalamus tredje ventrikel. Nøglegenekspressionsmønstre blev identificeret ved anvendelse af in situ hybridisering for at komplementere de transkriptomiske fund.

Resultater

Undersøgelsen fandt, at aldring fører til betydelige ændringer i genekspression i forskellige hjernecelletyper og identificerede 2.449 differentielt udtrykte gener med unikke og delte signaturer på tværs af celletyper. Neuroner, glia- og vaskulære celler viste distinkte genekspressionsmønstre med mange differentielt udtrykte gener forbundet med immunaktivering, strukturel integritet og cellulær senescens.

Myelinintegritet i oligodendrocytter: Undersøgelsen fandt, at aldersrelaterede forstyrrelser i oligodendrocytfunktionen med ændret ekspression af lipidtransport og biosyntesegener, hvilket tyder på nedsat myelinskedevedligeholdelse.

Navnlig viste neuroner reduceret ekspression af synaptisk signalering og strukturelle gener såsom CCND2, mens mikroglia viste en stigning i inflammatoriske markører såsom ILDR2 og CCL4. Gliaceller såsom astrocytter og oligodendrocytter viste reduceret ekspression af støtte-relaterede gener. I modsætning hertil var ekspression af immunrelaterede gener højere i mikroglia, makrofager og andre immuncelletyper.

Regionsspecifikke ændringer blev desuden observeret at være udtalt nær den hypothalamus tredje ventrikel, hvor tanycytter og ependymale celler viste bemærkelsesværdige aldersassocierede skift. Disse skift omfattede øget interferonresponssignalering og reducerede markører for strukturel vedligeholdelse. Tilsvarende viste oligodendrocytter i gamle hjerner ændrede genekspressionsmønstre, hvilket tyder på nedsat myelinintegritet.

Vaskulære celler, især endotelceller, viste også aldersrelaterede genekspressionsændringer forbundet med generne involveret i større histokompatibilitetskompleks (MHC) repræsentation, med tegn på svækket vaskulær funktion. Desuden dannede mikrogliacellerne i gamle hjerner nye klynger, der var forbundet med pro-inflammatoriske og senescent tilstande. De rumlige analyser bekræftede øget immunaktivitet lokaliseret i subkortikale områder, især i mellemhjernen og baghjernen.

Konklusioner

Resultaterne gav et detaljeret enkeltcellet transkriptomisk kort over hjernens aldring og fokuserede ikke længere på cellespecifikke og regionspecifikke molekylære ændringer forbundet med aldring. Disse resultater fremhæver hypothalamus som et knudepunkt for aldringsrelaterede ændringer med betydelige implikationer for forståelsen af ​​neurodegenerative sygdomme. Nøgleresultater demonstrerede rollen af ​​immunaktivering, neuronal tilbagegang og glial dysfunktion i aldring. Disse resultater lagde grundlaget for forskning i, hvordan aldring påvirker hjernefunktionen og dens skæring med neurodegenerative sygdomme.

Kilder: