Nature communications:衰老对小鼠大脑的代谢谱影响
2021年10月,加利福尼亚大学戴维斯分校等单位的相关研究人员在《Nature communications》(IF: 14.9)上发表了题为“A metabolome atlas of the aging mouse brain”的研究论文,展示了衰老小鼠大脑的大规模综合代谢组图谱。
展示了小鼠大脑10 个大脑区域的包括 1,547 个带注释代谢物代谢组图谱。
几乎所有的代谢物在大脑区域或年龄组之间都有显着差异,但在性别上没有显着差异。
与髓鞘重塑相关的衰老过程中鞘脂模式的变化伴随着其他代谢途径的巨大变化
大脑是哺乳动物中结构和功能最复杂的器官之一,它的特点是网络连通性、种类繁多的细胞类型以及大脑发育和衰老过程中高度整合的分子程序。大脑功能需要一组独特的小分子生化物质,从神经递质到通常富含高度不饱和脂肪酸 (FA) 的特定复杂脂质组。大脑已经在基因转录和蛋白质表达的分子水平上进行了映射。原则上,代谢物代表了分子生物学的最终结果。 然而,由于反馈机制和调节回路众多,不能简单地通过基因组或蛋白质组学特征预测代谢物谱。然而大脑代谢组的研究不够充分,要么专注于少数代谢物,要么将研究设计和数据采集限制在神经化学和大脑解剖区域的不完整覆盖范围内。目前,哺乳动物大脑的时空代谢组仍未完全了解。 研究人员结合来自三个非靶向代谢组学平台的数据,对小鼠青春期 (AD,3周)、成年早期(EA,16 周)、中年(MA,59 周)和 老年(OA,92 周)大脑的10 个解剖区域:大脑皮层 (CT)、嗅球 (OB)、海马 (HC)、下丘脑 (HT)、基底节 (BG)、丘脑 (TL) 、中脑 (MB)、脑桥 (PO)、髓质 (MD) 和小脑 (CB)进行了分析。使用 ClassyFire 分类系统将代谢物定义为八个化学超类。复合脂质在脑代谢组中所占比例最大,这是因为脑脂质的内源性含量较高,包括磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰乙醇胺(PEs)、三酰甘油(TGs)、FAs、磷脂酰丝氨酸(PS)、磷脂酰肌醇(PIs)、鞘磷脂(SM)、神经酰胺(CER)二酰甘油(DGs)和其他。有机酸(包括氨基酸、修饰氨基酸、肽和羟基酸)占代谢组的14%,而剩余的15%被分类为有机氧化合物、有机杂环化合物、苯类化合物、有机氮化合物、核苷、核苷酸和其他。绝大多数大脑代谢物广泛分布于所有十个大脑区域,以维持基本的大脑功能。前10条最重要的通路如下图d 所示,表明通路模块的广度足以解释衰老过程中大脑区域的代谢变化。 小鼠大脑图谱数据集概述 为了评估整体分析方法的精度,研究人员从所有脑提取物中构建了质量控制参考池样品 (QC),以反映汇总的脑代谢物组成。该集合 QC 被等分并在每组 10 个小鼠大脑样本之间重复添加。PCA 得分图显示,QC 样本聚集在图原点附近的紧密集群中,说明残留的技术错误很小。相反,不同大脑样本的代谢数据是分散的。此外,同大脑区域的生物重复之间存在很强的斯皮尔曼等级相关性,而不同大脑区域之间的相关性显着降低。这一发现表明数据集具有良好的生物学重现性,不同大脑区域具有不同的代谢表型。 小鼠脑代谢组的数据质量评估 接着,研究人员探究了小鼠大脑的区域代谢组结构。对所有10个脑区域的Spearman-rank相关矩阵的详细分析显示,在每个脑结构分支内的代谢组之间存在高度正相关,但在大脑、脑干和CB组织的分支之间存在负相关。具体来说,大脑和脑干代谢组之间的负相关反映了区域不同的功能,可能是因为大脑具有最复杂的神经元网络来指导更高的认知功能,而进化中最古老的脑干调节自主活动。与所有其他区域相比,脑干PO和MD中的脂质谱明显上调,而在大脑中,CT 和OB显示出许多整体水平降低的脂质。此外,脑干区域(MD 和 PO)中乙酰胆碱含量最低,而CB大脑中乙酰胆碱含量最低。大脑代谢组图谱显示 BG 中神经递质多巴胺及其代谢物的高度富集。腺苷及其类似物在 BG 中高度丰富,至关重要的是,匹配高丰度的代谢物和基因表达有助于基因功能的验证。鸟嘌呤在CB中高度表达,并且与浦肯野细胞蛋白 2 (Pcp2) 完全共定位。这种在两个不同小鼠脑图中的共定位为 Pcp2 作为鸟嘌呤核苷酸解离抑制剂的拟议功能提供了非凡的证据。除了原位杂交外,还可以使用其他脑图,例如功能磁共振成像 (fMRI)、基因组学、转录组学、蛋白质组学或突触组学,为将脑代谢整合到系统生物学中提供实用资源。 小鼠大脑的区域生化差异 在衰老过程中,大脑会经历一系列结构和功能的变化。然而,衰老如何影响大脑代谢组仍不清楚。下图中的 PCA 图表明不同年龄之间代谢组结构的显着差异。结果表明,在成熟时期大脑功能的特异性增加,而在衰老过程中去分化。先前的研究表明,大脑发育和衰老以特定于区域的方式异步发生,而不是在所有区域均匀发生,在每个区域的代谢组相关热图中发现了类似的老化趋势。 大脑和CB代谢组的变化需要应对大脑发育和衰老过程中生活中的重大变化。通过个体代谢物水平的变化也可以看出代谢调节的这些差异。在从青少年到早期成人的过渡中,37.1%的所有代谢物水平发生显着变化,只有 10.0% 的代谢物在EA和中年之间显示出这种变化。引人注目的是,所有代谢物的 61.5% 从中年到OA发生了改变。代谢物类别和无监督层次聚类说明了衰老过程中代谢物的变化模式。 衰老对小鼠大脑代谢组的影响 接下来,研究人员探究了小鼠大脑代谢组图谱是否可以深入了解生物过程。研究人员发现了三种鞘脂种类的有趣的年龄依赖性交替模式,包括 SM、己糖神经酰胺 (HexCers) 及其硫苷脂 (sHexCers)。SM、HexCers 和 sHexCers 的热图显示从青少年到成年早期大幅增加,从中年到OA大幅减少,特别是对于具有 C20-26脂肪酰基的HexCers和 sHexCers。通过基于网络的可视化,只有四个SM 在中年和 OA 之间显示出显着的大倍数变化,并且在区域之间、衰老期间和性别之间存在巨大差异。其他鞘脂在老化过程中表现出减少,例如,短链脂肪酰基衍生物,特别是 HexCer 和 sHexCer。仅在 OA 的 CT 中见证了所有 HexCer 物种的持续增加。HexCers、sHexCers 和 SM 在少突胶质细胞或髓鞘中高度富集。这里展示了髓鞘形成过程是如何从 AD 演变为 OA的。非常特定的酰基链长度对 HexCer、sHexCer 和 SM 有特别影响,对于长度超过18个碳的酰基(和长链 SM)具有不同的模式,通常为单不饱和形式。这种结构可能支持成人或衰老大脑中的髓鞘可塑性。 衰老小鼠大脑中鞘脂的动力学 总之,该研究通过 10 个大脑区域的 1,547 个带注释的代谢物,展示了衰老小鼠大脑的大规模综合代谢组图谱,可以为先前建立的基因组、转录组和蛋白质组图谱提供信息。该图谱可以作为不同小鼠大脑区域健康状况的重要资料库,在未来的研究中可以将其与疾病状态或突变的影响进行比较,并用于研究痴呆症和其他与 OA 相关的大脑功能障碍。