Zinātnieki atklāj, kā novecošana izmaina smadzeņu molekulāro ainavu

Zinātnieki atklāj, kā novecošana izmaina smadzeņu molekulāro ainavu

Jauni pētījumi atklāj šūnu novecošanās noslēpumus, izmantojot jaunākos vienas šūnas datus, kas parāda neironus, glia šūnas un imūnsistēmas, kas pārveido novecojošās smadzenes.

Pētījumā, kas nesen publicēts žurnālāDabaZinātnieki no Alena smadzeņu zinātnes institūta ASV pētīja, kā dažādi šūnu veidi peles smadzenēs mainās ģenētiskā līmenī ar vecumu. Analizējot vairāk nekā 1, 2 miljonus vienas šūnas transkriptu no jaunām un vecām pelēm, pētnieki identificēja galvenās gēnu ekspresijas izmaiņas, kas saistītas ar novecošanu. Šīs izmaiņas izceļ specifiskus molekulāros mehānismus, piemēram, imūnsistēmas aktivāciju un strukturālās integritātes samazināšanos dažādos šūnu veidos. Šie rezultāti varētu palīdzēt atklāt smadzeņu reģionus un šūnas, kuras visvairāk ietekmē novecošanās.

fons

Hipotalāms kā novecošanas centrs: Pētījumā tika noteikts, ka hipotalāms, jo īpaši trešā kambara reģions, ir centrālais novecošanās punkts ar nozīmīgām molekulārām izmaiņām tanicītos, ependimālajās šūnās un neironos, kas saistīti ar enerģijas homeostāzi.

Novecošana ir dabisks process, ko raksturo šūnu un molekulāras izmaiņas, kas ietekmē vispārējo funkciju. Smadzenēs novecošana cita starpā izpaužas kā izmainīta šūnu aktivitāte, iekaisums un samazināta neiroģenēze. Iepriekšējie pētījumi ir identificējuši vispārējus novecošanās marķierus audos un dažas smadzenēm raksturīgas izmaiņas. Tomēr, ņemot vērā smadzeņu sarežģītību un to daudzos šūnu tipus un funkcijas, joprojām nav skaidrs, kā konkrēti šūnu veidi veicina novecošanos. ENTRAGE REQUIREMENTS ir parādījis, ka daži reģioni, piemēram, hipotalāma trešais kambara, kalpo kā fokuss ar vecumu saistītām izmaiņām. Nesenie sasniegumi vienšūnu transkriptomikā ir snieguši nebijušu ieskatu šūnu daudzveidībā, ļaujot pētniekiem noteikt izmaiņas ar augstu izšķirtspēju.

Lai gan šie pētījumi ir parādījuši ar vecumu saistītas izmaiņas neironos un glia šūnās, trūkst visaptverošas kartēšanas visā smadzenēs. Šī kartēšana tagad ir atklājusi atšķirīgus šūnu tipam raksturīgus novecošanas modeļus, tostarp imūnsistēmas aktivāciju un neironu samazināšanos. Turklāt joprojām nav izpētītas specifiskas izmaiņas mazākās, aizmirstajās šūnu populācijās un to ieguldījums smadzeņu veselībā un novecošanā. Šīs dinamikas izpratne ir ļoti svarīga, lai atklātu mehānismus, kas izraisa ar vecumu saistītu kognitīvo un funkcionālo samazināšanos, un to iespējamo saistību ar neirodeģeneratīvām slimībām.

Par pētījumu

Šajā pētījumā tika izmantota vienas šūnas ribonukleīnskābes sekvencēšana (SCRNA-Seq), lai pārbaudītu jaunu (2 mēnešus vecu) un vecu (18 mēnešus vecu) peļu smadzenes. Pētnieki mērķēja uz 16 galvenajiem smadzeņu reģioniem un iekļāva priekšējās smadzenes, vidussmadzenes un aizmugurējās smadzenes. Šie reģioni tika atlasīti, ņemot vērā to iesaistīšanos novecošanas un ar vecumu saistīto slimību ārstēšanā. Izmantojot 10x genomikas platformu, pētnieki izveidoja datu kopu ar aptuveni 1, 2 miljoniem augstas kvalitātes vienšūnu transkriptu no neironiem un šūnām, kas nav neironu šūnas. Jo īpaši šī ir viena no visaptverošākajām vienas šūnas datu kopām novecošanās pētījumiem līdz šim. Papildu šūnu šķirošanas stratēģijas nodrošināja visaptverošu paraugu ņemšanu starp šūnu veidiem, un pētījums ietvēra ar fluorescenci aktivizētu šūnu šķirošanu (FACS) objektīvai neironu un citu šūnu paraugu ņemšanai.

Pro-iekaisuma mikroglia kopas: Pētījumi atklāja jaunu, pretiekaisuma mikroglia kopu veidošanos novecojušās smadzenēs, kas saistītas ar novecošanos un palielinātu imūno signālu pārraidi, īpaši subkortikālajos reģionos.

Datu anotēšanai tika izmantots Allen Brain Cell Atlas, Allen Institute izstrādātais atvērtais resurss, kas ļauj pētniekiem pārbaudīt daudzas datu kopas visā smadzenēs. Rezultāti identificēja 847 šūnu kopas, kas pārstāv 172 apakšklases 25 šūnu klasēs. Turklāt gēnu ekspresijas izmaiņas tika modelētas, izmantojot skaitļošanas metodes, lai noteiktu ar novecošanos saistītos diferencēti izteiktos gēnus. Telpiskā transkriptomika tika izmantota arī, lai iegūtu papildu apstiprinājumu un vizualizētu gēnu ekspresiju interesējošo smadzeņu reģionu smadzeņu reģionos.

Ir izmantotas daudzas citas analīzes, lai klasificētu diferencēti izteiktus gēnus pēc šūnu klases un apakšklases, vienlaikus nošķirot ar vecumu saistītas izmaiņas neironos, glia šūnās un citos šūnu tipos. Tas ietvēra specifisku pretiekaisuma mikrogliju kopu un vecumam atbilstošu neironu cilmes šūnu populāciju identificēšanu. Īpaša uzmanība ir pievērsta maz izplatītām populācijām, piemēram, ependimālajām šūnām un tanicīti, specializētām glia šūnām hipotalāmā un iesaistītas fizioloģisko procesu, piemēram, enerģijas bilances, regulēšanā.

Turklāt tika veiktas gēnu ontoloģijas vai GO bagātināšanas analīzes, lai identificētu novecošanās ietekmētos bioloģiskos procesus, piemēram: B. Imūnsignalizācija un neironu struktūras uzturēšana. Šīs analīzes atklāja ievērojamus neirogēnā potenciāla un strukturālās uzturēšanas zudumus, īpaši tanicītos un neironos hipotalāma trešā kambara tuvumā. Galvenie gēnu ekspresijas modeļi tika identificēti, izmantojot in situ hibridizāciju, lai papildinātu transkriptomiskos atklājumus.

Rezultāti

Pētījumā konstatēts, ka novecošana izraisa ievērojamas izmaiņas gēnu ekspresijā dažādos smadzeņu šūnu tipos un identificēja 2449 atšķirīgi izteiktus gēnus ar unikāliem un kopīgiem parakstiem dažādos šūnu tipos. Neironiem, glia un asinsvadu šūnām bija atšķirīgi gēnu ekspresijas modeļi ar daudziem atšķirīgi izteiktiem gēniem, kas saistīti ar imūnsistēmas aktivāciju, strukturālo integritāti un šūnu novecošanos.

Mielīna integritāte oligodendrocītos: Pētījumā atklājās, ka ar vecumu saistīti oligodendrocītu funkcijas traucējumi ar lipīdu transporta un biosintēzes gēnu ekspresijas izmaiņām, kas liecina par traucētu mielīna apvalka uzturēšanu.

Proti, neironi uzrādīja samazinātu sinaptisko signālu un strukturālo gēnu, piemēram, CCND2, ekspresiju, savukārt mikroglia uzrādīja iekaisuma marķieru, piemēram, ILDR2 un CCL4, pieaugumu. Glia šūnas, piemēram, astrocīti un oligodendrocīti, uzrādīja samazinātu ar atbalstu saistīto gēnu ekspresiju. Turpretim ar imūnsistēmu saistīto gēnu ekspresija bija augstāka mikroglijās, makrofāgos un citos imūno šūnu veidos.

Turklāt tika novērots, ka reģionam raksturīgas izmaiņas bija izteiktas hipotalāma trešā kambara tuvumā, kur tanicīti un ependimālās šūnas uzrādīja ievērojamas ar vecumu saistītas izmaiņas. Šīs izmaiņas ietvēra pastiprinātu interferona reakcijas signālu un samazinātus struktūras uzturēšanas marķierus. Līdzīgi oligodendrocīti novecojušas smadzenēs uzrādīja mainītus gēnu ekspresijas modeļus, kas liecina par traucētu mielīna integritāti.

Asinsvadu šūnās, īpaši endotēlija šūnās, bija arī ar vecumu saistītas gēnu ekspresijas izmaiņas, kas saistītas ar gēniem, kas iesaistīti galvenā histokompatibilitātes kompleksa (MHC) attēlojumā, ar traucētas asinsvadu funkcijas pazīmēm. Turklāt novecojušās smadzenēs esošās mikroglia šūnas veidoja jaunas kopas, kas bija saistītas ar iekaisuma un novecošanās stāvokļiem. Telpiskās analīzes apstiprināja paaugstinātu imūno aktivitāti, kas lokalizēta subkortikālajos apgabalos, īpaši smadzeņu vidusdaļā un aizmugurējās smadzenēs.

Secinājumi

Rezultāti sniedza detalizētu vienas šūnas transkriptomisko smadzeņu novecošanas karti un vairs nebija vērstas uz šūnām un reģionam specifiskām molekulārām izmaiņām, kas saistītas ar novecošanos. Šie atklājumi izceļ hipotalāmu kā ar novecošanu saistītu izmaiņu centru, kas būtiski ietekmē neirodeģeneratīvo slimību izpratni. Galvenie atklājumi parādīja imūnsistēmas aktivācijas, neironu samazināšanās un glia disfunkcijas lomu novecošanā. Šie atklājumi lika pamatu pētījumiem par to, kā novecošana ietekmē smadzeņu darbību un tās krustojumu ar neirodeģeneratīvām slimībām.

Avoti: