Mokslininkai atranda, kaip senėjimas iš naujo pakeičia smegenų molekulinį kraštovaizdį

Mokslininkai atranda, kaip senėjimas iš naujo pakeičia smegenų molekulinį kraštovaizdį

Nauji tyrimai atskleidžia ląstelių senėjimo paslaptis, naudojant pažangiausius vienos ląstelės duomenis, rodančius neuronus, glijos ląsteles ir imunines sistemas, kurios perkuria senstančias smegenis.

Neseniai žurnale paskelbtame tyrimeGamtaJAV Alleno smegenų mokslo instituto mokslininkai ištyrė, kaip skirtingi pelių smegenų ląstelių tipai keičiasi genetiniu lygmeniu su amžiumi. Analizuodami daugiau nei 1,2 milijono jaunų ir senų pelių vienos ląstelės transkriptų, mokslininkai nustatė pagrindinius genų ekspresijos pokyčius, susijusius su senėjimu. Šie poslinkiai išryškina specifinius molekulinius mechanizmus, tokius kaip imuninės sistemos aktyvinimas ir struktūrinio vientisumo mažėjimas skirtingų tipų ląstelėse. Šie rezultatai gali padėti atskleisti smegenų sritis ir ląsteles, kurias labiausiai paveikė senėjimas.

fone

Pagumburis kaip senėjimo centras: Tyrimas nustatė, kad pagumburis, ypač trečiasis skilvelio regionas, yra pagrindinis senėjimo taškas, turintis reikšmingų molekulinių pokyčių tanicituose, ependiminėse ląstelėse ir neuronuose, susijusiuose su energijos homeostaze.

Senėjimas yra natūralus procesas, kuriam būdingi ląstelių ir molekulių pokyčiai, turintys įtakos bendrai funkcijai. Smegenyse senėjimas pasireiškia, be kita ko, pakitusiu ląstelių aktyvumu, uždegimu ir sumažėjusia neurogeneze. Ankstesni tyrimai nustatė bendrus audinių senėjimo žymenis ir kai kuriuos specifinius smegenų pokyčius. Tačiau, atsižvelgiant į smegenų sudėtingumą ir daugybę ląstelių tipų bei funkcijų, lieka neaišku, kaip specifiniai ląstelių tipai prisideda prie senėjimo. ENTRAGE REQUIREMENTS parodė, kad tam tikri regionai, pavyzdžiui, trečiasis pagumburio skilvelis, yra su amžiumi susijusių pokyčių židinys. Naujausi pažanga vienos ląstelės transkriptomikos srityje suteikė precedento neturinčių įžvalgų apie ląstelių įvairovę, leidžiančią tyrėjams nustatyti pokyčius esant didelei skiriamajai gebai.

Nors šie tyrimai parodė su amžiumi susijusius neuronų ir glijos ląstelių pokyčius, trūksta išsamaus visų smegenų žemėlapių. Šis žemėlapis dabar atskleidė skirtingus ląstelių tipui būdingus senėjimo modelius, įskaitant imuninės sistemos aktyvavimą ir neuronų mažėjimą. Be to, konkretūs mažesnių, nepastebėtų ląstelių populiacijų pokyčiai ir jų indėlis į smegenų sveikatą bei senėjimą lieka neištirti. Šios dinamikos supratimas yra labai svarbus norint atskleisti mechanizmus, skatinančius su amžiumi susijusį pažinimo ir funkcinį nuosmukį, ir galimus jų ryšius su neurodegeneracinėmis ligomis.

Apie studiją

Šiame tyrime jaunų (2 mėnesių amžiaus) ir senų (18 mėnesių amžiaus) pelių smegenims ištirti buvo naudojamas vienos ląstelės ribonukleino rūgšties sekos nustatymas (SCRNA-Seq). Tyrėjai taikėsi į 16 pagrindinių smegenų regionų, įskaitant priekines, vidurines ir užpakalines smegenis. Šie regionai buvo atrinkti dėl jų įsitraukimo į senėjimą ir su amžiumi susijusias ligas. Naudodami 10x genomikos platformą, tyrėjai sukūrė duomenų rinkinį, sudarytą iš maždaug 1,2 milijono aukštos kokybės vienos ląstelės transkriptų iš neuronų ir ne neuronų ląstelių. Pažymėtina, kad tai yra vienas išsamiausių vienaląsčių duomenų rinkinių, skirtų senėjimo tyrimams iki šiol. Papildomos ląstelių rūšiavimo strategijos suteikė išsamų mėginių ėmimą tarp ląstelių tipų, o tyrimas apėmė fluorescenciniu būdu aktyvuotą ląstelių rūšiavimą (FACS), kad būtų galima nešališkai paimti neuronų ir kitų ląstelių mėginius.

Priešuždegiminės mikroglijos klasteriai: Tyrimai atskleidė naujų priešuždegiminių mikroglijų grupių susidarymą senose smegenyse, susijusiose su senėjimu ir padidėjusiu imuniniu signalizavimu, ypač subkortikiniuose regionuose.

Duomenims komentuoti buvo naudojamas Alleno smegenų ląstelių atlasas, Alleno instituto sukurtas atviras šaltinis, leidžiantis tyrėjams ištirti daugybę duomenų rinkinių smegenyse. Rezultatai nustatė 847 ląstelių grupes, atstovaujančias 172 poklasiams 25 ląstelių klasėse. Be to, genų ekspresijos pokyčiai buvo modeliuojami naudojant skaičiavimo metodus, siekiant aptikti skirtingai išreikštus genus, susijusius su senėjimu. Erdvinė transkriptomika taip pat buvo naudojama norint gauti papildomą patvirtinimą ir vizualizuoti genų ekspresiją dominančių smegenų regionų smegenų regionuose.

Daugybė kitų analizių buvo panaudota diferencijuotai išreikštiems genams suskirstyti pagal ląstelių klasę ir poklasį, išskiriant su amžiumi susijusius neuronų, glijos ląstelių ir kitų ląstelių tipų pokyčius. Tai apėmė specifinių priešuždegiminių mikroglijų grupių ir amžių atitinkančių nervinių kamieninių ląstelių populiacijų nustatymą. Ypatingas dėmesys buvo skiriamas retai išsidėsčiusioms populiacijoms, tokioms kaip ependiminės ląstelės ir tanicitai, specializuotos pagumburio glialinės ląstelės, dalyvaujančios reguliuojant fiziologinius procesus, tokius kaip energijos balansas.

Be to, buvo atliekamos genų ontologijos arba GO sodrinimo analizės, siekiant nustatyti senėjimo paveiktus biologinius procesus, tokius kaip: B. Imuninė signalizacija ir neuronų struktūros palaikymas. Šios analizės atskleidė didelius neurogeninio potencialo ir struktūrinės priežiūros praradimus, ypač tanycituose ir neuronuose, esančiuose šalia hipotalaminio trečiojo skilvelio. Pagrindiniai genų ekspresijos modeliai buvo nustatyti naudojant in situ hibridizaciją, siekiant papildyti transkriptominius radinius.

Rezultatai

Tyrimas parodė, kad senėjimas lemia reikšmingus genų ekspresijos pokyčius skirtinguose smegenų ląstelių tipuose ir nustatė 2449 skirtingai išreikštus genus, turinčius unikalius ir bendrus parašus visuose ląstelių tipuose. Neuronai, glijos ir kraujagyslių ląstelės parodė skirtingus genų ekspresijos modelius su daugybe skirtingai išreikštų genų, susijusių su imuninės sistemos aktyvavimu, struktūriniu vientisumu ir ląstelių senėjimu.

Mielino vientisumas oligodendrocituose: Tyrimas parodė, kad su amžiumi susiję oligodendrocitų funkcijos sutrikimai ir pakitusi lipidų transportavimo ir biosintezės genų ekspresija, o tai rodo, kad mielino apvalkalo palaikymas yra sutrikęs.

Pažymėtina, kad neuronai sumažino sinapsinių signalų ir struktūrinių genų, tokių kaip CCND2, ekspresiją, o mikroglia parodė uždegiminių žymenų, tokių kaip ILDR2 ir CCL4, padidėjimą. Glialinės ląstelės, tokios kaip astrocitai ir oligodendrocitai, parodė sumažėjusią su atrama susijusių genų ekspresiją. Priešingai, su imunitetu susijusių genų ekspresija buvo didesnė mikroglijose, makrofaguose ir kituose imuninių ląstelių tipuose.

Be to, pastebėta, kad regionui būdingi pokyčiai buvo ryškūs šalia pagumburio trečiojo skilvelio, kur tanicitai ir ependiminės ląstelės parodė reikšmingus su amžiumi susijusius poslinkius. Šie poslinkiai apėmė padidėjusį interferono atsako signalizavimą ir sumažintus struktūrinės priežiūros žymenis. Panašiai senų smegenų oligodendrocitai parodė pakitusius genų ekspresijos modelius, o tai rodo, kad mielino vientisumas yra sutrikęs.

Kraujagyslių ląstelės, ypač endotelio ląstelės, taip pat parodė su amžiumi susijusius genų ekspresijos pokyčius, susijusius su genais, susijusiais su pagrindinio histokompatibilumo komplekso (MHC) reprezentacija, su sutrikusios kraujagyslių funkcijos požymiais. Be to, senų smegenų mikroglijos ląstelės suformavo naujas grupes, kurios buvo susijusios su priešuždegiminėmis ir senstančiomis būsenomis. Erdvinės analizės patvirtino padidėjusį imuninį aktyvumą, lokalizuotą subkortikinėse srityse, ypač vidurinėse ir užpakalinėse smegenyse.

Išvados

Rezultatai pateikė išsamų vienos ląstelės transkriptominį smegenų senėjimo žemėlapį ir nebebuvo sutelktas į specifinius ląstelių ir regiono molekulinius pokyčius, susijusius su senėjimu. Šios išvados pabrėžia pagumburį kaip su senėjimu susijusių pokyčių centrą, turintį reikšmingą poveikį neurodegeneracinių ligų supratimui. Pagrindinės išvados parodė imuninės sistemos aktyvacijos, neuronų nuosmukio ir glijos disfunkcijos vaidmenį senstant. Šios išvados padėjo pagrindą tyrimams, kaip senėjimas veikia smegenų funkciją ir jos sankirtą su neurodegeneracinėmis ligomis.

Šaltiniai: