Gli scienziati scoprono come l'invecchiamento deforma il panorama molecolare del cervello

Gli scienziati scoprono come l'invecchiamento deforma il panorama molecolare del cervello

Una nuova ricerca rivela i segreti cellulari dell’invecchiamento, utilizzando dati all’avanguardia provenienti da singole cellule che mostrano i neuroni, le cellule gliali e il sistema immunitario che ricostruiscono il cervello che invecchia.

In uno studio recentemente pubblicato sulla rivistaNaturaGli scienziati dell'Allen Institute for Brain Science negli Stati Uniti hanno studiato come i diversi tipi di cellule nel cervello dei topi cambiano a livello genetico con l'età. Analizzando oltre 1,2 milioni di trascrittomi di singole cellule di topi giovani e anziani, i ricercatori hanno identificato cambiamenti chiave nell'espressione genetica associati all'invecchiamento. Questi cambiamenti evidenziano meccanismi molecolari specifici come l’attivazione immunitaria e il declino dell’integrità strutturale nei diversi tipi di cellule. Questi risultati potrebbero aiutare a rivelare le regioni e le cellule del cervello più colpite dall’invecchiamento.

sfondo

L'ipotalamo come centro dell'invecchiamento: lo studio ha identificato l'ipotalamo, in particolare la terza regione ventricolare, come un punto caldo centrale per l'invecchiamento, con cambiamenti molecolari significativi nei taniciti, nelle cellule ependimali e nei neuroni associati all'omeostasi energetica.

L’invecchiamento è un processo naturale caratterizzato da cambiamenti cellulari e molecolari che influenzano la funzione generale. Nel cervello l'invecchiamento si manifesta, tra le altre cose, come un'alterata attività cellulare, un'infiammazione e una ridotta neurogenesi. Studi precedenti hanno identificato marcatori generali di invecchiamento nei tessuti e alcuni cambiamenti specifici del cervello. Tuttavia, data la complessità del cervello e dei suoi numerosi tipi e funzioni cellulari, non è chiaro in che modo specifici tipi cellulari contribuiscano all’invecchiamento. REQUISITI DI ENTRATA ha dimostrato che alcune regioni, come il terzo ventricolo dell’ipotalamo, fungono da punto focale per i cambiamenti legati all’età. I recenti progressi nella trascrittomica unicellulare hanno fornito informazioni senza precedenti sulla diversità cellulare, consentendo ai ricercatori di identificare i cambiamenti ad alta risoluzione.

Sebbene questi studi abbiano mostrato cambiamenti legati all’età nei neuroni e nelle cellule gliali, manca una mappatura completa dell’intero cervello. Questa mappatura ha ora rivelato modelli di invecchiamento specifici del tipo cellulare, tra cui l’attivazione immunitaria e il declino neuronale. Inoltre, i cambiamenti specifici nelle popolazioni cellulari più piccole e trascurate e il loro contributo alla salute del cervello e all’invecchiamento rimangono inesplorati. Comprendere queste dinamiche è fondamentale per scoprire i meccanismi che guidano il declino cognitivo e funzionale legato all’età e i loro potenziali collegamenti con le malattie neurodegenerative.

A proposito dello studio

Nel presente studio, il sequenziamento dell'acido ribonucleico unicellulare (SCRNA-Seq) è stato utilizzato per esaminare il cervello di topi giovani (di 2 mesi) e anziani (di 18 mesi). I ricercatori hanno preso di mira 16 regioni chiave del cervello e hanno incluso il prosencefalo, il mesencefalo e il rombencefalo. Queste regioni sono state selezionate per il loro coinvolgimento nell’invecchiamento e nelle malattie legate all’età. Utilizzando la piattaforma genomica 10x, i ricercatori hanno generato un set di dati di circa 1,2 milioni di trascrittomi unicellulari di alta qualità provenienti da neuroni e cellule non neuronali. In particolare, questo è uno dei set di dati unicellulari più completi fino ad oggi per la ricerca sull’invecchiamento. Ulteriori strategie di smistamento cellulare hanno fornito un campionamento completo tra i tipi di cellule e lo studio ha incluso lo smistamento cellulare attivato dalla fluorescenza (FACS) per un campionamento imparziale di neuroni e altre cellule.

Cluster microgliali proinfiammatori: la ricerca ha rivelato la formazione di nuovi cluster microgliali antiinfiammatori nel cervello invecchiato, associati alla senescenza e all’aumento della segnalazione immunitaria, in particolare nelle regioni sottocorticali.

Per annotare i dati è stato utilizzato l’Allen Brain Cell Atlas, una risorsa aperta sviluppata dall’Allen Institute che consente ai ricercatori di esaminare numerosi set di dati in tutto il cervello. I risultati hanno identificato 847 cluster cellulari che rappresentano 172 sottoclassi in 25 classi cellulari. Inoltre, i cambiamenti nell'espressione genetica sono stati modellati utilizzando metodi computazionali per rilevare i geni espressi in modo differenziale associati all'invecchiamento. La trascrittomica spaziale è stata utilizzata anche per ottenere ulteriore convalida e visualizzare l'espressione genica nelle regioni cerebrali di interesse.

Numerose altre analisi sono state utilizzate per classificare i geni espressi in modo differenziale per classe e sottoclasse cellulare, distinguendo al tempo stesso i cambiamenti legati all'età nei neuroni, nelle cellule gliali e in altri tipi di cellule. Ciò ha comportato l'identificazione di specifici cluster microgliali proinfiammatori e di popolazioni di cellule staminali neurali corrispondenti all'età. Particolare attenzione è stata rivolta alle popolazioni scarsamente distribuite come le cellule ependimali e i taniciti, cellule gliali specializzate nell'ipotalamo e coinvolte nella regolazione di processi fisiologici come il bilancio energetico.

Inoltre, sono state eseguite analisi di Gene Ontology o di arricchimento GO per identificare i processi biologici influenzati dall'invecchiamento, come: B. Segnalazione immunitaria e mantenimento della struttura neuronale. Queste analisi hanno scoperto perdite significative nel potenziale neurogenico e nel mantenimento strutturale, in particolare nei taniciti e nei neuroni vicino al terzo ventricolo ipotalamico. I modelli chiave di espressione genetica sono stati identificati utilizzando l'ibridazione in situ per integrare i risultati trascrittomici.

Risultati

Lo studio ha scoperto che l’invecchiamento porta a cambiamenti significativi nell’espressione genica in diversi tipi di cellule cerebrali e ha identificato 2.449 geni espressi in modo differenziale con firme uniche e condivise tra i tipi di cellule. Neuroni, cellule gliali e vascolari hanno mostrato modelli di espressione genetica distinti, con molti geni espressi in modo differenziale associati all'attivazione immunitaria, all'integrità strutturale e alla senescenza cellulare.

Integrità della mielina negli oligodendrociti: lo studio ha scoperto che i disturbi legati all'età nella funzione degli oligodendrociti con espressione alterata del trasporto dei lipidi e dei geni della biosintesi, indicano un alterato mantenimento della guaina mielinica.

In particolare, i neuroni hanno mostrato una ridotta espressione della segnalazione sinaptica e di geni strutturali come CCND2, mentre la microglia ha mostrato un aumento dei marcatori infiammatori come ILDR2 e CCL4. Le cellule gliali come gli astrociti e gli oligodendrociti hanno mostrato una ridotta espressione di geni correlati al supporto. Al contrario, l’espressione dei geni legati al sistema immunitario era più elevata nelle microglia, nei macrofagi e in altri tipi di cellule immunitarie.

Inoltre, è stato osservato che i cambiamenti specifici della regione erano pronunciati vicino al terzo ventricolo ipotalamico, dove i taniciti e le cellule ependimali mostravano notevoli cambiamenti associati all'età. Questi cambiamenti includevano un aumento della segnalazione della risposta dell’interferone e una riduzione dei marcatori di mantenimento strutturale. Allo stesso modo, gli oligodendrociti nel cervello invecchiato hanno mostrato modelli di espressione genetica alterati, suggerendo una compromissione dell’integrità della mielina.

Le cellule vascolari, in particolare le cellule endoteliali, hanno mostrato anche cambiamenti nell'espressione genica legati all'età associati ai geni coinvolti nella rappresentazione del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC), con segni di compromissione della funzione vascolare. Inoltre, le cellule microgliali nel cervello invecchiato formavano nuovi cluster associati a stati proinfiammatori e senescenti. Le analisi spaziali hanno confermato un aumento dell’attività immunitaria localizzata nelle aree sottocorticali, in particolare nel mesencefalo e nel rombencefalo.

Conclusioni

I risultati hanno fornito una mappa trascrittomica dettagliata di un’unica cellula dell’invecchiamento cerebrale e non si sono più concentrati sui cambiamenti molecolari specifici della cellula e della regione associati all’invecchiamento. Questi risultati evidenziano l’ipotalamo come un fulcro per i cambiamenti legati all’invecchiamento con implicazioni significative per la comprensione delle malattie neurodegenerative. I risultati principali hanno dimostrato il ruolo dell'attivazione immunitaria, del declino neuronale e della disfunzione gliale nell'invecchiamento. Questi risultati hanno gettato le basi per la ricerca su come l’invecchiamento influisce sulla funzione cerebrale e sulla sua intersezione con le malattie neurodegenerative.

Fonti: