Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν πώς η γήρανση παραμορφώνει εκ νέου το μοριακό τοπίο του εγκεφάλου

Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν πώς η γήρανση παραμορφώνει εκ νέου το μοριακό τοπίο του εγκεφάλου

Νέα έρευνα αποκαλύπτει τα κυτταρικά μυστικά της γήρανσης, χρησιμοποιώντας δεδομένα αιχμής από μονοκύτταρα που δείχνουν τους νευρώνες, τα νευρογλοιακά κύτταρα και το ανοσοποιητικό σύστημα που ανακατασκευάζουν τον γερασμένο εγκέφαλο.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικόΦύσηΕπιστήμονες στο Ινστιτούτο Allen για την Επιστήμη του Εγκεφάλου στις ΗΠΑ ερεύνησαν πώς οι διαφορετικοί τύποι κυττάρων στον εγκέφαλο του ποντικιού αλλάζουν σε γενετικό επίπεδο με την ηλικία. Αναλύοντας πάνω από 1,2 εκατομμύρια μονοκύτταρα μεταγραφήματα από νεαρά και ηλικιωμένα ποντίκια, οι ερευνητές εντόπισαν βασικές αλλαγές γονιδιακής έκφρασης που σχετίζονται με τη γήρανση. Αυτές οι μετατοπίσεις υπογραμμίζουν συγκεκριμένους μοριακούς μηχανισμούς όπως η ενεργοποίηση του ανοσοποιητικού και η μείωση της δομικής ακεραιότητας σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αποκάλυψη των περιοχών του εγκεφάλου και των κυττάρων που επηρεάζονται περισσότερο από τη γήρανση.

φόντο

Ο υποθάλαμος ως κόμβος γήρανσης: Η μελέτη προσδιόρισε τον υποθάλαμο, ιδιαίτερα την τρίτη κοιλιακή περιοχή, ως κεντρικό σημείο γήρανσης, με σημαντικές μοριακές αλλαγές στα τανυκύτταρα, τα επενδυματικά κύτταρα και τους νευρώνες που σχετίζονται με την ενεργειακή ομοιόσταση.

Η γήρανση είναι μια φυσική διαδικασία που χαρακτηρίζεται από κυτταρικές και μοριακές αλλαγές που επηρεάζουν τη συνολική λειτουργία. Στον εγκέφαλο, η γήρανση εκδηλώνεται, μεταξύ άλλων, ως αλλοιωμένη κυτταρική δραστηριότητα, φλεγμονή και μειωμένη νευρογένεση. Προηγούμενες μελέτες έχουν εντοπίσει γενικούς δείκτες γήρανσης στους ιστούς και ορισμένες αλλαγές που σχετίζονται με τον εγκέφαλο. Ωστόσο, δεδομένης της πολυπλοκότητας του εγκεφάλου και των πολυάριθμων τύπων και λειτουργιών κυττάρων του, παραμένει ασαφές πώς συγκεκριμένοι τύποι κυττάρων συμβάλλουν στη γήρανση. Οι ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΕΙΣΧΥΣΗΣ έδειξε ότι ορισμένες περιοχές, όπως η τρίτη κοιλία του υποθαλάμου, χρησιμεύουν ως εστίαση για αλλαγές που σχετίζονται με την ηλικία. Οι πρόσφατες εξελίξεις στη μεταγραφική μονοκυττάρων έχουν προσφέρει πρωτοφανείς γνώσεις για την κυτταρική ποικιλομορφία, επιτρέποντας στους ερευνητές να εντοπίζουν αλλαγές σε υψηλή ανάλυση.

Ενώ αυτές οι μελέτες έχουν δείξει μετατοπίσεις που σχετίζονται με την ηλικία στους νευρώνες και τα νευρογλοιακά κύτταρα, λείπει ολοκληρωμένη χαρτογράφηση σε ολόκληρο τον εγκέφαλο. Αυτή η χαρτογράφηση έχει πλέον αποκαλύψει ξεχωριστά μοτίβα γήρανσης ειδικά για τον κυτταρικό τύπο, συμπεριλαμβανομένης της ενεργοποίησης του ανοσοποιητικού και της νευρωνικής πτώσης. Επιπλέον, συγκεκριμένες αλλαγές σε μικρότερους, παραμελημένους κυτταρικούς πληθυσμούς και η συμβολή τους στην υγεία του εγκεφάλου και τη γήρανση παραμένουν ανεξερεύνητες. Η κατανόηση αυτών των δυναμικών είναι κρίσιμη για την αποκάλυψη των μηχανισμών που οδηγούν στη γνωστική και λειτουργική έκπτωση που σχετίζεται με την ηλικία και τις πιθανές τους συνδέσεις με νευροεκφυλιστικές ασθένειες.

Σχετικά με τη μελέτη

Στην παρούσα μελέτη, η αλληλουχία ριβονουκλεϊκού οξέος ενός κυττάρου (SCRNA-Seq) χρησιμοποιήθηκε για την εξέταση του εγκεφάλου νεαρών (2 μηνών) και ηλικιωμένων (18 μηνών) ποντικών. Οι ερευνητές στόχευσαν 16 βασικές περιοχές του εγκεφάλου και συμπεριέλαβαν τον πρόσθιο, τον μεσεγκέφαλο και τον οπίσθιο εγκέφαλο. Αυτές οι περιοχές επιλέχθηκαν για τη συμμετοχή τους στη γήρανση και τις ασθένειες που σχετίζονται με την ηλικία. Χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα γονιδιωματικής 10x, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα σύνολο δεδομένων περίπου 1,2 εκατομμυρίων μεταγραφωμάτων μονοκυττάρου υψηλής ποιότητας από νευρώνες και μη νευρωνικά κύτταρα. Συγκεκριμένα, αυτό είναι ένα από τα πιο ολοκληρωμένα σύνολα δεδομένων ενός κυττάρου για έρευνα γήρανσης μέχρι σήμερα. Πρόσθετες στρατηγικές ταξινόμησης κυττάρων παρείχαν ολοκληρωμένη δειγματοληψία μεταξύ τύπων κυττάρων και η μελέτη περιελάμβανε ταξινόμηση κυττάρων ενεργοποιημένης με φθορισμό (FACS) για αμερόληπτη δειγματοληψία νευρώνων και άλλων κυττάρων.

Προφλεγμονώδεις μικρογλοιακές ομάδες: Η έρευνα αποκάλυψε το σχηματισμό νέων, αντιφλεγμονωδών μικρογλοιακών συστάδων σε ηλικιωμένους εγκεφάλους, που σχετίζονται με τη γήρανση και την αυξημένη ανοσολογική σηματοδότηση, ιδιαίτερα στις υποφλοιώδεις περιοχές.

Το Allen Brain Cell Atlas, ένας ανοιχτός πόρος που αναπτύχθηκε από το Ινστιτούτο Allen που επιτρέπει στους ερευνητές να εξετάσουν πολυάριθμα σύνολα δεδομένων σε όλο τον εγκέφαλο, χρησιμοποιήθηκε για τον σχολιασμό των δεδομένων. Τα αποτελέσματα αναγνώρισαν 847 συστάδες κυττάρων που αντιπροσωπεύουν 172 υποκατηγορίες σε 25 κατηγορίες κυττάρων. Επιπλέον, οι αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση μοντελοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας υπολογιστικές μεθόδους για την ανίχνευση διαφορικά εκφραζόμενων γονιδίων που σχετίζονται με τη γήρανση. Η χωρική μεταγραφική χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη λήψη πρόσθετης επικύρωσης και την οπτικοποίηση της έκφρασης γονιδίων σε περιοχές του εγκεφάλου των περιοχών του εγκεφάλου ενδιαφέροντος.

Έχουν χρησιμοποιηθεί πολυάριθμες άλλες αναλύσεις για την κατηγοριοποίηση των διαφορικά εκφραζόμενων γονιδίων ανά κατηγορία και υποκατηγορία κυττάρων, ενώ διακρίνονται οι αλλαγές που σχετίζονται με την ηλικία στους νευρώνες, τα νευρογλοιακά κύτταρα και άλλους τύπους κυττάρων. Αυτό περιελάμβανε τον εντοπισμό συγκεκριμένων προφλεγμονωδών μικρογλοιακών συστάδων και πληθυσμών νευρικών βλαστοκυττάρων ταιριασμένων με την ηλικία. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί σε αραιοκατανεμημένους πληθυσμούς όπως τα επενδυματικά κύτταρα και τα τανυκύτταρα, τα εξειδικευμένα νευρογλοιακά κύτταρα στον υποθάλαμο και που εμπλέκονται στη ρύθμιση φυσιολογικών διεργασιών όπως το ενεργειακό ισοζύγιο.

Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις γονιδιακής οντολογίας ή εμπλουτισμού GO για τον εντοπισμό των βιολογικών διεργασιών που επηρεάζονται από τη γήρανση, όπως: Β. Ανοσολογική σηματοδότηση και διατήρηση της νευρωνικής δομής. Αυτές οι αναλύσεις ανακάλυψαν σημαντικές απώλειες στο νευρογενές δυναμικό και στη δομική συντήρηση, ιδιαίτερα σε τανυκύτταρα και νευρώνες κοντά στην τρίτη κοιλία του υποθαλάμου. Τα βασικά μοτίβα έκφρασης γονιδίων ταυτοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας in situ υβριδισμό για να συμπληρωθούν τα μεταγραφικά ευρήματα.

Αποτελέσματα

Η μελέτη διαπίστωσε ότι η γήρανση οδηγεί σε σημαντικές αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση σε διαφορετικούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων και εντόπισε 2.449 διαφορικά εκφρασμένα γονίδια με μοναδικές και κοινές υπογραφές μεταξύ των τύπων κυττάρων. Οι νευρώνες, τα νευρογλοιακά και τα αγγειακά κύτταρα έδειξαν ξεχωριστά πρότυπα γονιδιακής έκφρασης, με πολλά διαφορικά εκφρασμένα γονίδια που σχετίζονται με την ανοσοενεργοποίηση, τη δομική ακεραιότητα και την κυτταρική γήρανση.

Ακεραιότητα μυελίνης στα ολιγοδενδροκύτταρα: Η μελέτη διαπίστωσε ότι οι διαταραχές που σχετίζονται με την ηλικία στη λειτουργία των ολιγοδενδροκυττάρων με αλλοιωμένη έκφραση των γονιδίων μεταφοράς λιπιδίων και βιοσύνθεσης, υποδεικνύοντας μειωμένη συντήρηση του περιβλήματος της μυελίνης.

Συγκεκριμένα, οι νευρώνες εμφάνισαν μειωμένη έκφραση συναπτικής σηματοδότησης και δομικών γονιδίων όπως το CCND2, ενώ η μικρογλοία παρουσίασε αύξηση σε φλεγμονώδεις δείκτες όπως το ILDR2 και το CCL4. Τα νευρογλοιακά κύτταρα όπως τα αστροκύτταρα και τα ολιγοδενδροκύτταρα εμφάνισαν μειωμένη έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με την υποστήριξη. Αντίθετα, η έκφραση των γονιδίων που σχετίζονται με το ανοσοποιητικό ήταν υψηλότερη σε μικρογλοία, μακροφάγα και άλλους τύπους ανοσοκυττάρων.

Επιπλέον, ειδικές για την περιοχή αλλαγές παρατηρήθηκαν να είναι έντονες κοντά στην υποθαλαμική τρίτη κοιλία, όπου τα τανυκύτταρα και τα επενδυματικά κύτταρα έδειξαν αξιοσημείωτες μετατοπίσεις που σχετίζονται με την ηλικία. Αυτές οι μετατοπίσεις περιελάμβαναν αυξημένη σηματοδότηση απόκρισης ιντερφερόνης και μειωμένους δείκτες δομικής συντήρησης. Ομοίως, τα ολιγοδενδροκύτταρα σε ηλικιωμένους εγκεφάλους εμφάνισαν αλλοιωμένα πρότυπα γονιδιακής έκφρασης, υποδηλώνοντας μειωμένη ακεραιότητα της μυελίνης.

Τα αγγειακά κύτταρα, ιδιαίτερα τα ενδοθηλιακά κύτταρα, εμφάνισαν επίσης αλλαγές γονιδιακής έκφρασης σχετιζόμενες με την ηλικία που σχετίζονται με τα γονίδια που εμπλέκονται στην αναπαράσταση μείζονος συμπλέγματος ιστοσυμβατότητας (MHC), με σημεία μειωμένης αγγειακής λειτουργίας. Επιπλέον, τα μικρογλοιακά κύτταρα στους ηλικιωμένους εγκεφάλους σχημάτισαν νέες ομάδες που συνδέονταν με προφλεγμονώδεις και γηρασμένες καταστάσεις. Οι χωρικές αναλύσεις επιβεβαίωσαν αυξημένη ανοσολογική δραστηριότητα εντοπισμένη σε υποφλοιώδεις περιοχές, ιδιαίτερα στον μεσεγκέφαλο και τον οπίσθιο εγκέφαλο.

συμπεράσματα

Τα αποτελέσματα παρείχαν έναν λεπτομερή μονοκύτταρο μεταγραφικό χάρτη της γήρανσης του εγκεφάλου και δεν επικεντρωνόταν πλέον στις μοριακές αλλαγές που σχετίζονται με τα κύτταρα και τις συγκεκριμένες περιοχές που σχετίζονται με τη γήρανση. Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν τον υποθάλαμο ως κόμβο για αλλαγές που σχετίζονται με τη γήρανση με σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση των νευροεκφυλιστικών ασθενειών. Τα βασικά ευρήματα κατέδειξαν τον ρόλο της ανοσολογικής ενεργοποίησης, της νευρωνικής έκπτωσης και της νευρογλοιακής δυσλειτουργίας στη γήρανση. Αυτά τα ευρήματα έθεσαν τα θεμέλια για έρευνα σχετικά με το πώς η γήρανση επηρεάζει τη λειτουργία του εγκεφάλου και τη διασταύρωσή της με νευροεκφυλιστικές ασθένειες.

Πηγές: