Naukowcy odkrywają, jak starzenie się ponownie wypacza molekularny krajobraz mózgu

Naukowcy odkrywają, jak starzenie się ponownie wypacza molekularny krajobraz mózgu

Nowe badania odkrywają komórkowe tajemnice starzenia się, wykorzystując najnowocześniejsze dane dotyczące pojedynczych komórek, pokazujące neurony, komórki glejowe i układ odpornościowy, które przekształcają starzejący się mózg.

W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmieNaturaNaukowcy z Allen Institute for Brain Science w USA badali, w jaki sposób różne typy komórek w mózgu myszy zmieniają się na poziomie genetycznym wraz z wiekiem. Analizując ponad 1,2 miliona jednokomórkowych transkryptomów młodych i starych myszy, badacze zidentyfikowali kluczowe zmiany w ekspresji genów związane ze starzeniem się. Zmiany te uwydatniają specyficzne mechanizmy molekularne, takie jak aktywacja immunologiczna i spadek integralności strukturalnej w różnych typach komórek. Wyniki te mogą pomóc w odkryciu obszarów mózgu i komórek najbardziej dotkniętych procesem starzenia.

tło

Podwzgórze jako ośrodek starzenia się: w badaniu zidentyfikowano podwzgórze, w szczególności obszar trzeciej komory, jako centralny punkt zapalny starzenia, ze znaczącymi zmianami molekularnymi w tanycytach, komórkach wyściółki i neuronach związanych z homeostazą energetyczną.

Starzenie się to naturalny proces charakteryzujący się zmianami komórkowymi i molekularnymi, które wpływają na ogólne funkcjonowanie. W mózgu starzenie się objawia się między innymi zmianą aktywności komórek, stanem zapalnym i zmniejszoną neurogenezą. Poprzednie badania zidentyfikowały ogólne markery starzenia się tkanek i pewne zmiany specyficzne dla mózgu. Biorąc jednak pod uwagę złożoność mózgu oraz liczne typy i funkcje komórek, nie jest jasne, w jaki sposób określone typy komórek przyczyniają się do starzenia. Projekt ENTRAGE REQUIREMENTS wykazał, że pewne obszary, takie jak trzecia komora podwzgórza, stanowią ognisko zmian związanych z wiekiem. Ostatnie postępy w transkryptomice pojedynczych komórek zapewniły bezprecedensowy wgląd w różnorodność komórkową, umożliwiając naukowcom identyfikację zmian w wysokiej rozdzielczości.

Chociaż badania te wykazały związane z wiekiem zmiany w neuronach i komórkach glejowych, brakuje kompleksowego mapowania całego mózgu. Mapowanie to ujawniło obecnie wyraźne, specyficzne dla typu komórek wzorce starzenia, w tym aktywację immunologiczną i zanik neuronów. Co więcej, specyficzne zmiany w mniejszych, pomijanych populacjach komórek i ich wpływ na zdrowie mózgu i starzenie się pozostają niezbadane. Zrozumienie tej dynamiki ma kluczowe znaczenie dla odkrycia mechanizmów powodujących związany z wiekiem spadek funkcji poznawczych i funkcjonalnych oraz ich potencjalnych powiązań z chorobami neurodegeneracyjnymi.

O badaniu

W niniejszym badaniu do zbadania mózgów młodych (2-miesięcznych) i starszych (18-miesięcznych) myszy wykorzystano sekwencjonowanie kwasu rybonukleinowego pojedynczych komórek (SCRNA-Seq). Badacze zajęli się 16 kluczowymi obszarami mózgu, w tym przodomózgowiem, śródmózgowiem i tyłomózgowiem. Regiony te wybrano ze względu na ich udział w starzeniu się i chorobach związanych z wiekiem. Korzystając z platformy genomiki 10x, naukowcy wygenerowali zbiór danych obejmujący około 1,2 miliona wysokiej jakości transkryptomów jednokomórkowych z neuronów i komórek nieneuronalnych. Warto zauważyć, że jest to jeden z najbardziej kompleksowych, jak dotąd, jednokomórkowych zbiorów danych dotyczących badań nad starzeniem się. Dodatkowe strategie sortowania komórek zapewniły kompleksowe pobieranie próbek pomiędzy typami komórek, a badanie obejmowało sortowanie komórek aktywowane fluorescencją (FACS) w celu bezstronnego próbkowania neuronów i innych komórek.

Prozapalne skupiska mikrogleju: badania wykazały powstawanie nowych, przeciwzapalnych skupisk mikrogleju w starzejących się mózgach, co jest powiązane ze starzeniem się i zwiększoną sygnalizacją immunologiczną, szczególnie w obszarach podkorowych.

Do opatrzenia danych wykorzystano Atlas komórek mózgowych Allena, otwarte źródło informacji opracowane przez Instytut Allena, które umożliwia badaczom badanie licznych zbiorów danych w mózgu. W wynikach zidentyfikowano 847 skupisk komórek reprezentujących 172 podklasy w 25 klasach komórek. Ponadto modelowano zmiany w ekspresji genów przy użyciu metod obliczeniowych w celu wykrycia genów o różnej ekspresji związanych ze starzeniem się. Do uzyskania dodatkowej walidacji i wizualizacji ekspresji genów w odpowiednich obszarach mózgu wykorzystano także transkryptomię przestrzenną.

Do kategoryzowania genów ulegających różnej ekspresji według klasy i podklasy komórek, jednocześnie rozróżniając związane z wiekiem zmiany w neuronach, komórkach glejowych i innych typach komórek, wykorzystano wiele innych analiz. Obejmowało to identyfikację specyficznych prozapalnych skupisk mikrogleju i dopasowanych pod względem wieku populacji nerwowych komórek macierzystych. Szczególną uwagę zwrócono na słabo rozproszone populacje, takie jak komórki wyściółki i tanycyty, wyspecjalizowane komórki glejowe w podwzgórzu i zaangażowane w regulację procesów fizjologicznych, takich jak bilans energetyczny.

Ponadto przeprowadzono analizy Gene Ontology lub analizy wzbogacania GO w celu zidentyfikowania procesów biologicznych, na które wpływa starzenie, takich jak: B. Sygnalizacja immunologiczna i utrzymanie struktury neuronalnej. Analizy te wykazały znaczne straty w potencjale neurogennym i utrzymaniu strukturalnym, szczególnie w tanycytach i neuronach w pobliżu trzeciej komory podwzgórza. Kluczowe wzorce ekspresji genów zidentyfikowano za pomocą hybrydyzacji in situ w celu uzupełnienia wyników transkryptomii.

Wyniki

Badanie wykazało, że starzenie się prowadzi do znaczących zmian w ekspresji genów w różnych typach komórek mózgowych i zidentyfikowało 2449 genów o różnej ekspresji, posiadających unikalne i wspólne sygnatury we wszystkich typach komórek. Neurony, komórki glejowe i naczyniowe wykazywały różne wzorce ekspresji genów, przy czym wiele genów ulegało zróżnicowanej ekspresji związanych z aktywacją immunologiczną, integralnością strukturalną i starzeniem się komórek.

Integralność mieliny w oligodendrocytach: Badanie wykazało, że związane z wiekiem zaburzenia w funkcjonowaniu oligodendrocytów objawiają się zmienioną ekspresją genów transportu lipidów i biosyntezy, co wskazuje na upośledzenie utrzymania osłonki mielinowej.

Warto zauważyć, że neurony wykazywały zmniejszoną ekspresję sygnalizacji synaptycznej i genów strukturalnych, takich jak CCND2, podczas gdy mikroglej wykazywał wzrost markerów stanu zapalnego, takich jak ILDR2 i CCL4. Komórki glejowe, takie jak astrocyty i oligodendrocyty, wykazywały zmniejszoną ekspresję genów związanych z podporą. Natomiast ekspresja genów związanych z odpornością była wyższa w mikrogleju, makrofagach i innych typach komórek odpornościowych.

Ponadto zaobserwowano, że zmiany specyficzne dla regionu są wyraźne w pobliżu trzeciej komory podwzgórza, gdzie tanycyty i komórki wyściółki wykazywały zauważalne zmiany związane z wiekiem. Zmiany te obejmowały zwiększoną sygnalizację odpowiedzi na interferon i zmniejszone markery utrzymania strukturalnego. Podobnie oligodendrocyty w starszych mózgach wykazywały zmienione wzorce ekspresji genów, co sugeruje upośledzoną integralność mieliny.

Komórki naczyniowe, zwłaszcza komórki śródbłonka, również wykazywały związane z wiekiem zmiany w ekspresji genów powiązane z genami zaangażowanymi w reprezentację głównego kompleksu zgodności tkankowej (MHC), z oznakami upośledzenia funkcji naczyń. Co więcej, komórki mikrogleju w starzejących się mózgach utworzyły nowe skupiska powiązane ze stanami prozapalnymi i starzeniem się. Analizy przestrzenne potwierdziły zwiększoną aktywność immunologiczną zlokalizowaną w obszarach podkorowych, szczególnie w śródmózgowiu i tyłomózgowiu.

Wnioski

Wyniki dostarczyły szczegółowej mapy transkryptomicznej starzenia się mózgu dla pojedynczych komórek i nie skupiały się już na zmianach molekularnych specyficznych dla komórek i regionów związanych ze starzeniem. Odkrycia te podkreślają, że podwzgórze jest ośrodkiem zmian związanych ze starzeniem się, co ma istotne implikacje dla zrozumienia chorób neurodegeneracyjnych. Kluczowe odkrycia wykazały rolę aktywacji układu odpornościowego, zaniku neuronów i dysfunkcji glejów w procesie starzenia. Odkrycia te położyły podwaliny pod badania nad wpływem starzenia się na funkcjonowanie mózgu i jego występowaniem w chorobach neurodegeneracyjnych.

Źródła: