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今天給大家分享的文獻是加州大學戴維斯分校研究人員于今年10月份發(fā)表在Nature Communications上的一篇文獻。這篇文獻中發(fā)表了小鼠大腦中第一個代謝物圖譜，這個數(shù)據(jù)集包括雄性和雌性野生型小鼠從青春期到成年期和進入老年期的10個腦區(qū)的1547個不同代謝分子。
衰老小鼠腦代謝圖譜
摘要
神經(jīng)化學是腦神經(jīng)生理和病理的基礎，哺乳動物的大腦主要依靠神經(jīng)化學來實現(xiàn)其功能。然而，據(jù)目前的研究成果而言，人們對大腦代謝組的復雜性及其在疾病或衰老期間的變化仍知之甚少；所以，本文研究人員從青春期到成年期和進入老年期的10個腦區(qū)生成了野生型小鼠大腦的代謝組圖譜。他們結(jié)合了三種不同的分析數(shù)據(jù)，對1547種代謝物進行了結(jié)構(gòu)注釋。結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾乎所有的代謝物在不同的大腦區(qū)域或不同階段的年齡組內(nèi)存在著顯著差異，但不同性別的小鼠之間的差異并不顯著。此外，與髓鞘重塑相關(guān)的衰老過程中，鞘脂也隨著代謝途徑的改變發(fā)生了巨大的變化。功能相關(guān)的大腦區(qū)域之間的代謝組變化也相似。在大腦中，青春期和成年小鼠之間的代謝相關(guān)性明顯減弱，而在老年期，跨區(qū)域相關(guān)性的變化也反映了大腦分區(qū)的弱化。同時，代謝組的變化可以映射到現(xiàn)有的基因和蛋白質(zhì)腦圖譜。研究人員將這個腦代謝圖譜整合成一個開放的交互式網(wǎng)站（https://mouse.atlas.metabolomics.us/），可以讓我們可視化10個不同區(qū)域、4個不同時間點以及不同性別小鼠腦之間的代謝組水平的差異。
結(jié)果
1. 衰老小鼠大腦代謝圖譜的生成
研究人員分別在四個不同時間段取了16只（8只雄鼠和8只雌鼠）野生型小鼠的腦組織進行研究，四個時間段分別是AD(3周)、成年早期(EA，16周)、中年（MA，59周）和OA（92周）。研究所涉及的腦區(qū)從解剖學角度來說一共包含了10個不同的區(qū)域：大腦皮層（CT）、嗅球（OB）、海馬（HC）、下丘腦（HT）、基底節(jié)（BG）、丘腦（TL）、中腦（MB）、橋腦（PO）、髓質(zhì)（MD）和小腦（CB）。圖1a中展示了本研究的整體流程圖。
研究人員使用ClassyFire分類方法將代謝物定義為八個大類（圖1b）。和預期的一樣，復合脂質(zhì)在大腦代謝物中所占的比例最大，這是因為大腦脂質(zhì)的內(nèi)源性很高。絕大多數(shù)的大腦代謝物分布在所劃分的十個大腦區(qū)域中，以維持大腦的基本功能（圖1c）。通過Consensus PathDB（http://cpdb.molgen.mpg.de/）對HILIC和GC-resolved代謝物進行通路富集，在圖1d中展示了富集結(jié)果中的前10條通路。
圖1 小鼠大腦圖譜數(shù)據(jù)集概述
2. 質(zhì)量評估
為了評估整體分析方法的準確性，研究人員構(gòu)建了質(zhì)控參考樣本（QC）。然后對數(shù)據(jù)進行標準化、去批次和主成分分析（PCA）等一系列分析。圖2a中PCA結(jié)果顯示，QC樣本被緊密地聚集在一起，說明測序技術(shù)上的偏差已經(jīng)很小。相反，不同時間點的大腦樣本很好的區(qū)分開來了，說明這些樣本之間生物學上的差異很顯著。研究人員接著又發(fā)現(xiàn)同一腦區(qū)內(nèi)的代謝物相關(guān)性很強，而不同腦區(qū)之間的相關(guān)性明顯減弱（圖2b）。說明由特定代謝物/代謝物相關(guān)模式捕獲的不同大腦區(qū)域的數(shù)據(jù)集和不同的代謝表型具有良好的生物學可重復性。
圖2 小鼠腦代謝組的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估
3. 小鼠大腦的區(qū)域代謝組結(jié)構(gòu)
當根據(jù)不同的研究參數(shù)（即大腦區(qū)域、年齡和性別等）進行PCA分析時，生物學上的差異會變得很明顯。根據(jù)圖2a顯示，根據(jù)年齡分離樣本時，數(shù)據(jù)集總代謝差異為12%，顯示出青春期、成年早期和中年小鼠之間有明顯差異，但其實中年小鼠和老年小鼠之間也存在著顯著差異。不同性別之間大腦代謝組的差異很小，這說明大腦化學物質(zhì)變化主要是跟時間和空間相關(guān)，而不是由性激素來主要調(diào)節(jié)的。圖3a中的PCA結(jié)果圖展示了不同腦區(qū)的代謝表型之間的差異。當只分析成年早期的小鼠的不同腦區(qū)時，它們之間的差異會更加顯著（圖3b）。從解剖學角度而言，代謝表型是符合解剖學上的區(qū)域劃分的。此外，在大腦基因組圖譜中也觀察到了大腦區(qū)域有類似的分子分化，說明基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學在大腦區(qū)域化和發(fā)育中的一致性。
接下來，研究人員利用大腦代謝組的相關(guān)性來研究不同腦區(qū)之間的特定代謝差異。對所有10個腦區(qū)的斯皮爾曼相關(guān)性矩陣（圖3c）分析顯示，每個腦區(qū)內(nèi)的代謝組成分具有高度正相關(guān)性，但不同區(qū)域之間存在負相關(guān)性。這反映了不同腦區(qū)的不同功能。圖3d中以熱圖的形式展示了不同腦區(qū)差異代謝物的情況。腦代謝圖譜顯示BG中神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺及其代謝物高度富集，這與Allen Brain Atlas project（http://mouse.brain-map.org/）中多巴胺受體Drd1和Drd2的原位雜交結(jié)果相一致（圖3e）。同樣的，腺苷和鳥嘌呤的富集結(jié)果也與原位雜交結(jié)果相一致（圖3f-g）。
圖3 小鼠大腦的區(qū)域生化差異
4. 衰老對小鼠腦代謝的影響
在衰老過程中，大腦在結(jié)構(gòu)和功能上都會發(fā)生一系列的變化。但是目前的基因組和轉(zhuǎn)錄組的研究還未能完全了解衰老如何影響大腦代謝。圖4b中PCA圖展示了不同年齡代謝組上的巨大差異。為了可視化代謝組上的差異，研究人員繪制了每個年齡段大腦區(qū)域的相關(guān)性矩陣（圖4a）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從青春期小鼠到成年早期小鼠的過渡中，腦干和大腦之間從高度正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨蓉撓嚓P(guān)；同時，不同腦區(qū)內(nèi)部的相關(guān)性也顯著減弱。在衰老過程中，不同腦區(qū)內(nèi)部之間的相關(guān)性也逐漸減弱，腦干和大腦之間的負相關(guān)性逐漸消失。以上結(jié)果說明，在成熟階段大腦功能特異性增加，在衰老期間去分化。
先前的研究表明，大腦發(fā)育和衰老都不是在所有區(qū)域同步發(fā)生的。在本研究中發(fā)現(xiàn)，每個區(qū)域的代謝相關(guān)熱圖（圖4c）的衰老趨勢也是如此，不同區(qū)域的變化會有所不同。這些發(fā)現(xiàn)驗證了代謝水平上大腦發(fā)育的不同過程。代謝調(diào)節(jié)中單個代謝物水平的變化也很明顯，代謝組的無監(jiān)督聚類分析和熱圖（圖4d）都說明了衰老期間代謝物的轉(zhuǎn)移模式。研究人員在圖4e中單獨展示了多巴胺、腺苷和瓜氨酸在大腦區(qū)域衰老過程中的差異。
圖4 衰老對小鼠大腦代謝組的影響
5. 鞘脂的動態(tài)變化展示了成年大腦中的髓鞘重塑過程
接下來，研究人員還研究了小鼠大腦代謝組圖譜能否深入了解生物學過程。他們發(fā)現(xiàn)了三種鞘脂的年齡依賴性的動態(tài)變化，分別是HexCers、sHexCers和SMs。熱圖顯示，從青春期到成年早期這些髓鞘會顯著增加，而從中年到OA期大幅度減少（圖5a），特別是對于具有C20–26脂肪?；腍exCers和sHexCers。這一發(fā)現(xiàn)與3周齡小鼠大腦中神經(jīng)酰胺合成酶2（CerS2）的上調(diào)（圖5b）一致，而60周齡小鼠大腦中神經(jīng)酰胺合成酶2（CerS2）的下調(diào)一致。髓鞘是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中一種必不可少的結(jié)構(gòu)，用于隔離神經(jīng)元軸突，以加速神經(jīng)元傳遞和維持神經(jīng)元功能。圖5c中總結(jié)了腦衰老過程中髓鞘-鞘脂變化過程?？偟脕硭?，超長鏈鞘脂從青春期到中年大腦逐漸增加，隨后從老年逐漸減少。所有年齡組的長鏈鞘脂幾乎保持恒定水平。
圖5 衰老小鼠大腦中鞘脂的動態(tài)變化
討論
本研究構(gòu)建了一個關(guān)于衰老小鼠大腦的大規(guī)模綜合代謝組圖譜，該圖譜可以映射到先前建立的基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組圖譜。數(shù)據(jù)分析表明，代謝組上的差異幾乎完全存在于大腦區(qū)域之間以及大腦成熟和衰老的變化中，并非由于性別差異。這些代謝組學差異與之前發(fā)表的功能和分子表型非常一致。因此，該圖譜可作為健康狀態(tài)的不同小鼠大腦區(qū)域的重要儲存庫，在未來的研究中，可對這些區(qū)域的疾病狀態(tài)或突變影響進行比較，并可用于研究癡呆癥和其他與嚴重骨性關(guān)節(jié)炎相關(guān)的腦功能障礙。
