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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月份發表在Nature Communications上的一篇文獻。這篇文獻中發表了小鼠大腦中第一個代謝物圖譜，這個數據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個腦區的1547個不同代謝分子。
衰老小鼠腦代謝圖譜
摘要
神經化學是腦神經生理和病理的基礎，哺乳動物的大腦主要依靠神經化學來實現其功能。然而，據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個腦區生成了野生型小鼠大腦的代謝組圖譜。他們結合了三種不同的分析數據，對1547種代謝物進行了結構注釋。結果發現幾乎所有的代謝物在不同的大腦區域或不同階段的年齡組內存在著顯著差異，但不同性別的小鼠之間的差異并不顯著。此外，與髓鞘重塑相關的衰老過程中，鞘脂也隨著代謝途徑的改變發生了巨大的變化。功能相關的大腦區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性明顯減弱，而在老年期，跨區域相關性的變化也反映了大腦分區的弱化。同時，代謝組的變化可以映射到現有的基因和蛋白質腦圖譜。研究人員將這個腦代謝圖譜整合成一個開放的交互式網站（https://mouse.atlas.metabolomics.us/），可以讓我們可視化10個不同區域、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）。研究所涉及的腦區從解剖學角度來說一共包含了10個不同的區域：大腦皮層（CT）、嗅球（OB）、海馬（HC）、下丘腦（HT）、基底節（BG）、丘腦（TL）、中腦（MB）、橋腦（PO）、髓質（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，復合脂質在大腦代謝物中所占的比例最大，這是因為大腦脂質的內源性很高。絕大多數的大腦代謝物分布在所劃分的十個大腦區域中，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中展示了富集結果中的前10條通路。
圖1 小鼠大腦圖譜數據集概述
2. 質量評估
為了評估整體分析方法的準確性，研究人員構建了質控參考樣本（QC）。然后對數據進行標準化、去批次和主成分分析（PCA）等一系列分析。圖2a中PCA結果顯示，QC樣本被緊密地聚集在一起，說明測序技術上的偏差已經很小。相反，不同時間點的大腦樣本很好的區分開來了，說明這些樣本之間生物學上的差異很顯著。研究人員接著又發現同一腦區內的代謝物相關性很強，而不同腦區之間的相關性明顯減弱（圖2b）。說明由特定代謝物/代謝物相關模式捕獲的不同大腦區域的數據集和不同的代謝表型具有良好的生物學可重復性。
圖2 小鼠腦代謝組的數據質量評估
3. 小鼠大腦的區域代謝組結構
當根據不同的研究參數（即大腦區域、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。根據圖2a顯示，根據年齡分離樣本時，數據集總代謝差異為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變化主要是跟時間和空間相關，而不是由性激素來主要調節的。圖3a中的PCA結果圖展示了不同腦區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域劃分的。此外，在大腦基因組圖譜中也觀察到了大腦區域有類似的分子分化，說明基因組學、轉錄組學和代謝組學在大腦區域化和發育中的一致性。
接下來，研究人員利用大腦代謝組的相關性來研究不同腦區之間的特定代謝差異。對所有10個腦區的斯皮爾曼相關性矩陣（圖3c）分析顯示，每個腦區內的代謝組成分具有高度正相關性，但不同區域之間存在負相關性。這反映了不同腦區的不同功能。圖3d中以熱圖的形式展示了不同腦區差異代謝物的情況。腦代謝圖譜顯示BG中神經遞質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的原位雜交結果相一致（圖3e）。同樣的，腺苷和鳥嘌呤的富集結果也與原位雜交結果相一致（圖3f-g）。
圖3 小鼠大腦的區域生化差異
4. 衰老對小鼠腦代謝的影響
在衰老過程中，大腦在結構和功能上都會發生一系列的變化。但是目前的基因組和轉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域的相關性矩陣（圖4a）。結果發現，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轉變為高度負相關；同時，不同腦區內部的相關性也顯著減弱。在衰老過程中，不同腦區內部之間的相關性也逐漸減弱，腦干和大腦之間的負相關性逐漸消失。以上結果說明，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，大腦發育和衰老都不是在所有區域同步發生的。在本研究中發現，每個區域的代謝相關熱圖（圖4c）的衰老趨勢也是如此，不同區域的變化會有所不同。這些發現驗證了代謝水平上大腦發育的不同過程。代謝調節中單個代謝物水平的變化也很明顯，代謝組的無監督聚類分析和熱圖（圖4d）都說明了衰老期間代謝物的轉移模式。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。他們發現了三種鞘脂的年齡依賴性的動態變化，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脂肪酰基的HexCers和sHexCers。這一發現與3周齡小鼠大腦中神經酰胺合成酶2（CerS2）的上調（圖5b）一致，而60周齡小鼠大腦中神經酰胺合成酶2（CerS2）的下調一致。髓鞘是中樞神經系統中一種必不可少的結構，用于隔離神經元軸突，以加速神經元傳遞和維持神經元功能。圖5c中總結了腦衰老過程中髓鞘-鞘脂變化過程。總得來所，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變化
討論
本研究構建了一個關于衰老小鼠大腦的大規模綜合代謝組圖譜，該圖譜可以映射到先前建立的基因組、轉錄組和蛋白質組圖譜。數據分析表明，代謝組上的差異幾乎完全存在于大腦區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的不同小鼠大腦區域的重要儲存庫，在未來的研究中，可對這些區域的疾病狀態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節炎相關的腦功能障礙。
