Vedci zisťujú, ako starnutie opäť deformuje molekulárnu krajinu mozgu

Vedci zisťujú, ako starnutie opäť deformuje molekulárnu krajinu mozgu

Nový výskum odhaľuje bunkové tajomstvá starnutia pomocou špičkových jednobunkových údajov, ktoré ukazujú neuróny, gliové bunky a imunitné systémy, ktoré pretvárajú starnúci mozog.

V štúdii nedávno publikovanej v časopisePrírodaVedci z Allen Institute for Brain Science v USA skúmali, ako sa rôzne typy buniek v mozgu myší menia na genetickej úrovni s vekom. Analýzou viac ako 1,2 milióna jednobunkových transkriptómov z mladých a starých myší výskumníci identifikovali kľúčové posuny génovej expresie spojené so starnutím. Tieto posuny zdôrazňujú špecifické molekulárne mechanizmy, ako je imunitná aktivácia a pokles štrukturálnej integrity v rôznych typoch buniek. Tieto výsledky by mohli pomôcť odhaliť oblasti mozgu a bunky najviac postihnuté starnutím.

pozadia

Hypotalamus ako centrum starnutia: Štúdia identifikovala hypotalamus, najmä oblasť tretej komory, ako centrálny hotspot pre starnutie s významnými molekulárnymi zmenami v tanycytoch, ependymálnych bunkách a neurónoch spojených s energetickou homeostázou.

Starnutie je prirodzený proces charakterizovaný bunkovými a molekulárnymi zmenami, ktoré ovplyvňujú celkovú funkciu. V mozgu sa starnutie prejavuje okrem iného ako zmenená aktivita buniek, zápaly a znížená neurogenéza. Predchádzajúce štúdie identifikovali všeobecné markery starnutia v tkanivách a niektoré zmeny špecifické pre mozog. Vzhľadom na zložitosť mozgu a jeho početné typy a funkcie buniek však zostáva nejasné, ako konkrétne typy buniek prispievajú k starnutiu. Požiadavky na vstup ukázal, že určité oblasti, ako napríklad tretia komora hypotalamu, slúžia ako ohnisko zmien súvisiacich s vekom. Nedávne pokroky v jednobunkovej transkriptomike poskytli bezprecedentný pohľad na bunkovú diverzitu, čo umožňuje výskumníkom identifikovať zmeny vo vysokom rozlíšení.

Zatiaľ čo tieto štúdie ukázali vekom súvisiace posuny v neurónoch a gliových bunkách, chýba komplexné mapovanie v celom mozgu. Toto mapovanie teraz odhalilo odlišné modely starnutia špecifické pre typ buniek, vrátane imunitnej aktivácie a poklesu neurónov. Navyše, špecifické zmeny v menších, prehliadaných populáciách buniek a ich príspevok k zdraviu mozgu a starnutiu zostávajú nepreskúmané. Pochopenie tejto dynamiky je rozhodujúce pre odhalenie mechanizmov poháňajúcich kognitívny a funkčný pokles súvisiaci s vekom a ich potenciálnych súvislostí s neurodegeneratívnymi ochoreniami.

O štúdiu

V tejto štúdii sa jednobunkové sekvenovanie ribonukleovej kyseliny (SCRNA-Seq) použilo na vyšetrenie mozgu mladých (2-mesačných) a starých (18-mesačných) myší. Výskumníci sa zamerali na 16 kľúčových oblastí mozgu a zahŕňali predný mozog, stredný mozog a zadný mozog. Tieto regióny boli vybrané z dôvodu ich zapojenia do starnutia a chorôb súvisiacich s vekom. Pomocou platformy 10x genomiky vedci vygenerovali súbor údajov približne 1,2 milióna vysoko kvalitných jednobunkových transkriptómov z neurónov a neneurónových buniek. Predovšetkým ide o jeden z najkomplexnejších súborov údajov s jednou bunkou pre výskum starnutia k dnešnému dňu. Dodatočné stratégie triedenia buniek poskytli komplexný odber vzoriek medzi typmi buniek a štúdia zahŕňala triedenie buniek aktivované fluorescenciou (FACS) na nestranné odbery vzoriek neurónov a iných buniek.

Prozápalové zhluky mikroglií: Výskum odhalil tvorbu nových, protizápalových zhlukov mikroglií v starších mozgoch, ktoré súvisia so starnutím a zvýšenou imunitnou signalizáciou, najmä v subkortikálnych oblastiach.

Allen Brain Cell Atlas, otvorený zdroj vyvinutý Allenovým inštitútom, ktorý umožňuje výskumníkom skúmať početné súbory údajov v mozgu, bol použitý na anotáciu údajov. Výsledky identifikovali 847 bunkových zhlukov reprezentujúcich 172 podtried v 25 bunkových triedach. Okrem toho boli zmeny v génovej expresii modelované pomocou výpočtových metód na detekciu odlišne exprimovaných génov spojených so starnutím. Priestorová transkriptomika sa tiež použila na získanie ďalšej validácie a vizualizáciu génovej expresie v oblastiach mozgu záujmových oblastí mozgu.

Na kategorizáciu rozdielne exprimovaných génov podľa bunkovej triedy a podtriedy sa použilo množstvo ďalších analýz, pričom sa rozlišovali zmeny súvisiace s vekom v neurónoch, gliových bunkách a iných typoch buniek. To zahŕňalo identifikáciu špecifických prozápalových mikrogliálnych zhlukov a populácií nervových kmeňových buniek zodpovedajúcich veku. Osobitná pozornosť bola venovaná riedko distribuovaným populáciám, ako sú ependymálne bunky a tanycyty, špecializované gliové bunky v hypotalame a zapojené do regulácie fyziologických procesov, ako je energetická rovnováha.

Okrem toho sa vykonali analýzy génovej ontológie alebo obohatenia GO na identifikáciu biologických procesov ovplyvnených starnutím, ako sú: B. Imunitná signalizácia a udržiavanie neurónovej štruktúry. Tieto analýzy odhalili významné straty v neurogénnom potenciáli a štruktúrnej údržbe, najmä v tanycytoch a neurónoch v blízkosti tretej komory hypotalamu. Kľúčové vzory génovej expresie boli identifikované použitím in situ hybridizácie na doplnenie transkriptomických nálezov.

Výsledky

Štúdia zistila, že starnutie vedie k významným zmenám v génovej expresii v rôznych typoch mozgových buniek a identifikovala 2 449 odlišne exprimovaných génov s jedinečnými a zdieľanými podpismi medzi typmi buniek. Neuróny, gliové a vaskulárne bunky vykazovali odlišné vzory génovej expresie s mnohými odlišne exprimovanými génmi spojenými s imunitnou aktiváciou, štrukturálnou integritou a starnutím buniek.

Integrita myelínu v oligodendrocytoch: Štúdia zistila, že poruchy funkcie oligodendrocytov súvisiace s vekom so zmenenou expresiou génov pre transport lipidov a biosyntézu, čo naznačuje zhoršenú údržbu myelínového puzdra.

Je pozoruhodné, že neuróny vykazovali zníženú expresiu synaptickej signalizácie a štrukturálnych génov, ako je CCND2, zatiaľ čo mikroglie vykazovali zvýšenie zápalových markerov, ako sú ILDR2 a CCL4. Gliové bunky, ako sú astrocyty a oligodendrocyty, vykazovali zníženú expresiu génov súvisiacich s podporou. Naproti tomu expresia génov súvisiacich s imunitou bola vyššia v mikrogliách, makrofágoch a iných typoch imunitných buniek.

Okrem toho sa pozorovalo, že zmeny špecifické pre oblasť sú výrazné v blízkosti tretej komory hypotalamu, kde tanycyty a ependymálne bunky vykazovali výrazné posuny súvisiace s vekom. Tieto posuny zahŕňali zvýšenú signalizáciu odozvy interferónu a znížené markery štrukturálnej údržby. Podobne oligodendrocyty vo starých mozgoch vykazovali zmenené vzorce génovej expresie, čo naznačuje zhoršenú integritu myelínu.

Cievne bunky, najmä endotelové bunky, tiež vykazovali zmeny génovej expresie súvisiace s vekom spojené s génmi zapojenými do reprezentácie hlavného histokompatibilného komplexu (MHC) so známkami zhoršenej vaskulárnej funkcie. Okrem toho mikrogliálne bunky v starých mozgoch vytvorili nové zhluky, ktoré boli spojené s prozápalovými a senescentnými stavmi. Priestorové analýzy potvrdili zvýšenú imunitnú aktivitu lokalizovanú v subkortikálnych oblastiach, najmä v strednom mozgu a zadnom mozgu.

Závery

Výsledky poskytli podrobnú jednobunkovú transkriptomickú mapu starnutia mozgu a už sa nezameriavali na bunkovo ​​špecifické a regionálne molekulárne zmeny spojené so starnutím. Tieto zistenia zdôrazňujú hypotalamus ako centrum zmien súvisiacich so starnutím s významnými dôsledkami pre pochopenie neurodegeneratívnych chorôb. Kľúčové zistenia preukázali úlohu imunitnej aktivácie, poklesu neurónov a gliálnej dysfunkcie pri starnutí. Tieto zistenia položili základ pre výskum toho, ako starnutie ovplyvňuje funkciu mozgu a jeho prienik s neurodegeneratívnymi ochoreniami.

Zdroje: