Teadlased avastavad, kuidas vananemine muudab aju molekulaarset maastikku ümber

Teadlased avastavad, kuidas vananemine muudab aju molekulaarset maastikku ümber

Uued uuringud paljastavad vananemise rakulised saladused, kasutades tipptasemel üherakulisi andmeid, mis näitavad neuroneid, gliiarakke ja immuunsüsteeme, mis muudavad vananeva aju.

Hiljuti ajakirjas avaldatud uuringusLoodusUSA Alleni ajuteaduse instituudi teadlased uurisid, kuidas erinevad rakutüübid hiire ajus vanusega geneetilisel tasemel muutuvad. Analüüsides enam kui 1,2 miljonit noorte ja vanade hiirte üherakulist transkriptoomi, tuvastasid teadlased peamised vananemisega seotud geeniekspressiooni nihked. Need nihked toovad esile spetsiifilised molekulaarsed mehhanismid, nagu immuunaktivatsioon ja struktuurse terviklikkuse vähenemine erinevates rakutüüpides. Need tulemused võivad aidata paljastada ajupiirkondi ja rakke, mida vananemine kõige enam mõjutab.

taustal

Hüpotalamus kui vananemiskeskus: uuringus tuvastati hüpotalamus, eriti kolmas vatsakese piirkond, kui keskne vananemise leviala, kus on olulised molekulaarsed muutused tanotsüütides, ependüümrakkudes ja neuronites, mis on seotud energia homöostaasiga.

Vananemine on loomulik protsess, mida iseloomustavad rakulised ja molekulaarsed muutused, mis mõjutavad üldist funktsiooni. Ajus väljendub vananemine muuhulgas muutunud rakuaktiivsusena, põletikuna ja neurogeneesi vähenemisena. Varasemad uuringud on tuvastanud üldised vananemismarkerid kudedes ja mõned ajuspetsiifilised muutused. Arvestades aga aju keerukust ning selle arvukaid rakutüüpe ja funktsioone, jääb ebaselgeks, kuidas teatud rakutüübid vananemisele kaasa aitavad. ENTRAGE REQUIREMENTS on näidanud, et teatud piirkonnad, näiteks hüpotalamuse kolmas vatsake, on vanusega seotud muutuste fookus. Hiljutised edusammud üherakulise transkriptoomika vallas on andnud enneolematu ülevaate rakkude mitmekesisusest, võimaldades teadlastel tuvastada muutusi suure eraldusvõimega.

Kuigi need uuringud on näidanud vanusega seotud nihkeid neuronites ja gliiarakkudes, puudub kogu aju põhjalik kaardistamine. See kaardistamine on nüüd paljastanud erinevad rakutüübispetsiifilised vananemismustrid, sealhulgas immuunsüsteemi aktiveerimine ja neuronite langus. Lisaks on uurimata konkreetsed muutused väiksemates, tähelepanuta jäetud rakupopulatsioonides ja nende panus aju tervisesse ja vananemisse. Selle dünaamika mõistmine on kriitilise tähtsusega vanusega seotud kognitiivset ja funktsionaalset langust põhjustavate mehhanismide ja nende võimalike seoste neurodegeneratiivsete haigustega avastamiseks.

Uuringu kohta

Käesolevas uuringus kasutati noorte (2-kuuste) ja vanade (18-kuuste) hiirte aju uurimiseks üherakulist ribonukleiinhappe sekveneerimist (SCRNA-Seq). Teadlased võtsid sihikule 16 peamist ajupiirkonda ja hõlmasid eesaju, keskaju ja tagaaju. Need piirkonnad valiti välja nende seotuse järgi vananemise ja vanusega seotud haigustega. 10x genoomika platvormi kasutades koostasid teadlased neuronitest ja mitteneuronaalsetest rakkudest ligikaudu 1,2 miljonist kvaliteetsest üherakulisest transkriptoomist koosneva andmekogumi. Nimelt on see üks seni kõige põhjalikumaid üherakulisi andmekogumeid vananemisuuringute jaoks. Täiendavad rakkude sorteerimisstrateegiad pakkusid igakülgset proovide võtmist rakutüüpide vahel ja uuring hõlmas fluorestsents-aktiveeritud rakkude sorteerimist (FACS) neuronite ja muude rakkude erapooletuks proovide võtmiseks.

Põletikuvastased mikrogliia klastrid: Uuringud näitasid uute põletikuvastaste mikrogliia klastrite moodustumist vananenud ajus, mis on seotud vananemise ja suurenenud immuunsignaalidega, eriti subkortikaalsetes piirkondades.

Andmete märkimiseks kasutati Alleni ajurakkude atlast, Alleni Instituudi välja töötatud avatud ressurssi, mis võimaldab teadlastel uurida arvukalt kogu aju andmeid. Tulemused tuvastasid 847 rakuklastrit, mis esindavad 172 alamklassi 25 rakuklassis. Lisaks modelleeriti geeniekspressiooni muutusi arvutusmeetoditega, et tuvastada vananemisega seotud erinevalt ekspresseeritud geene. Ruumilist transkriptoomikat kasutati ka täiendava valideerimise saamiseks ja geeniekspressiooni visualiseerimiseks huvipakkuvate ajupiirkondade ajupiirkondades.

Erinevalt ekspresseeritud geenide liigitamiseks rakuklassi ja alamklassi järgi on kasutatud arvukalt teisi analüüse, eristades samal ajal vanusega seotud muutusi neuronites, gliiarakkudes ja muudes rakutüüpides. See hõlmas spetsiifiliste põletikueelsete mikrogliia klastrite ja vanusega sobivate neuraalsete tüvirakkude populatsioonide tuvastamist. Erilist tähelepanu on pööratud hõredalt jaotunud populatsioonidele, nagu ependüümrakud ja tanütsüüdid, hüpotalamuse spetsialiseerunud gliiarakud ja mis on seotud füsioloogiliste protsesside, nagu energiabilansi, reguleerimisega.

Lisaks viidi läbi geeniontoloogia või GO rikastamise analüüsid, et tuvastada vananemisest mõjutatud bioloogilised protsessid, näiteks: B. Immuunsignaalimine ja neuronaalse struktuuri säilitamine. Need analüüsid avastasid märkimisväärset neurogeense potentsiaali ja struktuuri säilitamise kaotust, eriti hüpotalamuse kolmanda vatsakese lähedal asuvates tanotsüütides ja neuronites. Peamised geeniekspressiooni mustrid tuvastati transkriptoomiliste leidude täiendamiseks in situ hübridisatsiooni abil.

Tulemused

Uuringus leiti, et vananemine põhjustab olulisi muutusi geeniekspressioonis erinevates ajurakutüüpides ja tuvastas 2449 erinevalt ekspresseeritud geeni, millel on rakutüüpide lõikes unikaalsed ja jagatud signatuurid. Neuronid, gliaal- ja vaskulaarsed rakud näitasid erinevaid geeniekspressiooni mustreid, kusjuures paljud erinevalt ekspresseeritud geenid olid seotud immuunsüsteemi aktiveerimise, struktuurse terviklikkuse ja raku vananemisega.

Müeliini terviklikkus oligodendrotsüütides: uuringus leiti, et vanusega seotud häired oligodendrotsüütide funktsioonis koos lipiidide transpordi ja biosünteesi geenide ekspressiooni muutumisega, mis viitavad müeliini ümbrise halvenemisele.

Nimelt näitasid neuronid sünaptilise signaaliülekande ja struktuursete geenide, nagu CCND2, ekspressiooni vähenemist, samas kui mikroglia näitas põletikuliste markerite, nagu ILDR2 ja CCL4, suurenemist. Gliaalrakud, nagu astrotsüüdid ja oligodendrotsüüdid, näitasid toega seotud geenide ekspressiooni vähenemist. Seevastu immuunsüsteemiga seotud geenide ekspressioon oli kõrgem mikrogliia, makrofaagide ja muude immuunrakkude tüüpide puhul.

Lisaks täheldati piirkonnaspetsiifilisi muutusi hüpotalamuse kolmanda vatsakese lähedal, kus tanütsüüdid ja ependümaalsed rakud näitasid märkimisväärseid vanusega seotud nihkeid. Need nihked hõlmasid interferooni vastuse signaalide suurenemist ja struktuuri hoolduse markerite vähenemist. Samamoodi näitasid vananenud aju oligodendrotsüütidel muutunud geeniekspressiooni mustrid, mis viitab müeliini terviklikkusele.

Vaskulaarsed rakud, eriti endoteelirakud, näitasid ka vanusega seotud geeniekspressiooni muutusi, mis olid seotud geenidega, mis osalesid peamise histo-ühilduvuskompleksi (MHC) esituses, koos veresoonte funktsiooni halvenemise tunnustega. Lisaks moodustasid vananenud aju mikrogliiarakud uusi klastreid, mis olid seotud põletikueelsete ja vananevate seisunditega. Ruumianalüüsid kinnitasid suurenenud immuunaktiivsust, mis paiknes subkortikaalsetes piirkondades, eriti kesk- ja tagaajus.

Järeldused

Tulemused andsid üksikasjaliku üherakulise aju vananemise transkriptoomilise kaardi ja ei keskendunud enam vananemisega seotud rakuspetsiifilistele ja piirkonnaspetsiifilistele molekulaarsetele muutustele. Need leiud rõhutavad hüpotalamust kui vananemisega seotud muutuste keskust, millel on oluline mõju neurodegeneratiivsete haiguste mõistmisele. Peamised leiud näitasid immuunsüsteemi aktiveerimise, neuronite languse ja gliia düsfunktsiooni rolli vananemisel. Need leiud panid aluse uuringutele, kuidas vananemine mõjutab aju funktsiooni ja selle ristumist neurodegeneratiivsete haigustega.

Allikad: