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衰老雌性小鼠下丘腦的單細(xì)胞分析

2023.03.31 廣東

前言

題目：Single-cell analysis of the aging female mouse hypothalamus
日期：2022-07-04
期刊：Nature Aging
DOI：https://doi.org/10.1038/s43587-022-00246-4

摘要

新陳代謝、睡眠模式、身體成分和荷爾蒙狀態(tài)的改變都是衰老的關(guān)鍵特征。雖然下丘腦控制著這些穩(wěn)態(tài)和生存相關(guān)的行為，并且是一個(gè)相對(duì)完好的大腦區(qū)域，但人們對(duì)下丘腦衰老的內(nèi)在特征知之甚少。

作者對(duì)年輕和年老雌性小鼠的 40,064 個(gè)下丘腦核進(jìn)行了單核 RNA 測(cè)序（snRNA-seq），確定了神經(jīng)元亞型以及星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中衰老的細(xì)胞類型，發(fā)現(xiàn)了代謝調(diào)節(jié)和身體成分相關(guān)的細(xì)胞類型的變化，以及與認(rèn)知相關(guān)的下丘腦區(qū)域的變化。分析還揭示了下丘腦衰老的一個(gè)有趣的女性特有特征：在下丘腦神經(jīng)元中，X 失活的主要調(diào)節(jié)因子Xist，隨著年齡的增長(zhǎng)而升高。

衰老小鼠下丘腦的單核測(cè)序

目前對(duì)成年哺乳動(dòng)物大腦中細(xì)胞類型進(jìn)行單細(xì)胞分析的最佳方法就是snRNA-seq。作者從年輕（3 個(gè)月）和老年（19-24 個(gè)月）雌性小鼠的下丘腦中分離出細(xì)胞核，每個(gè)年齡段有四個(gè)重復(fù)文庫(kù)。經(jīng)過質(zhì)量過濾后，獲得了 40,064 個(gè)用于分析的高質(zhì)量細(xì)胞核：分別來自年輕和老年動(dòng)物的 16,256 和 23,808 個(gè)細(xì)胞核。

聚類分群得到了：

neurons were defined by expression of Syt1
astrocytes defined by Agt and Gja1
oligodendrocytes by Olig1 and Plp1 expression
oligodendrocyte precursor cells (OPCs) were identified by expression of Pdgfra
The microglia and macrophage clusters were defined by expression of C1qa and distinguished by higher expression of Tmem119 and P2ry12 in the microglia cluster
Less abundant cell types were also observed, including ependymocytes (ependymal cells; Ccdc153), pericytes (Flt1), endothelial cells (Clnd5) and vascular and leptomeningeal cells (VLMCs; Slc6a13)
下丘腦特有細(xì)胞：a distinct cluster of tanycytes, which are specific to the hypothalamus and defined by Rax expression

另外，SCENIC調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，Dbx2 調(diào)節(jié)元件在星形膠質(zhì)細(xì)胞簇中高度富集，而 Atf2 和 Creb3l1 調(diào)節(jié)子在神經(jīng)元中富集。

主要細(xì)胞類型的基因表達(dá)隨著年齡變化

作者研究了下丘腦主要細(xì)胞類型隨年齡增長(zhǎng)而發(fā)生的基因表達(dá)變化。使用model-based analysis of single-cell transcriptomics (MAST)進(jìn)行差異分析，得到275 和 342 個(gè)隨年齡上調(diào)和下調(diào)的基因。

之后研究了年齡對(duì)每種主要細(xì)胞類型中基因表達(dá)的影響。神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞隨著年齡的增長(zhǎng)顯示出最多數(shù)量的差異基因。發(fā)現(xiàn)年齡之間存在顯著差異，幾乎所有類型都隨著年齡的增長(zhǎng)而增加。

GSEA分析發(fā)現(xiàn)：

星形膠質(zhì)細(xì)胞缺乏與膽固醇穩(wěn)態(tài)相關(guān)的基因，這與之前的研究一致，表明衰老的下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中膽固醇合成基因的表達(dá)減少
G2M檢查點(diǎn)的基因在神經(jīng)元中出現(xiàn)變化
小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞在大腦中起著免疫細(xì)胞的作用：巨噬細(xì)胞富含白介素 IL-2 STAT5 信號(hào)、IL-6 JAK STAT3 信號(hào)和炎癥反應(yīng)的基因。小膠質(zhì)細(xì)胞富含與干擾素-α 反應(yīng)和干擾素-γ 反應(yīng)相關(guān)的基因，并且隨著年齡增長(zhǎng)而降低了氧化磷酸化基因表達(dá)

老化下丘腦小膠質(zhì)細(xì)胞的軌跡分析

小膠質(zhì)細(xì)胞是遍布大腦和脊髓的一種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。這些細(xì)胞作為大腦中的巨噬細(xì)胞，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）中作為免疫防御的第一線發(fā)揮著重要作用，涉及的過程包括細(xì)胞因子和趨化因子的釋放、抗原呈遞和碎片的吞噬作用。

Monocle3對(duì)來自小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞簇的細(xì)胞核進(jìn)行了軌跡分析，試圖揭示從年輕細(xì)胞核到衰老細(xì)胞核的轉(zhuǎn)變。發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞類型逐漸走向衰老，并且衰老細(xì)胞核的比例顯著增加。

X失活基因的表達(dá)隨著年齡的增長(zhǎng)而改變

作者發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈非編碼 RNA Xist是女性下丘腦中隨年齡增長(zhǎng)最顯著上調(diào)的基因之一。

每種主要細(xì)胞類型的差異表達(dá)分析表明Xist在星形膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞和縱長(zhǎng)細(xì)胞中隨著年齡的增長(zhǎng)而上調(diào)。另外還觀察到Xist在衰老海馬體中的上調(diào)。

作者還使用從不同大腦區(qū)域（下丘腦、小腦、皮質(zhì)和嗅球）的組織樣本中提取的 RNA驗(yàn)證了Xist的上調(diào)。值得注意的是，盡管Xist在所有大腦區(qū)域都呈上升趨勢(shì)，上調(diào)僅在女性下丘腦中達(dá)到顯著水平，揭示了女性下丘腦衰老的特征。

神經(jīng)元亞群隨著年齡的增長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)錄表達(dá)變化

作者做了每個(gè)cluster的DEG和GSEA分析：

參與進(jìn)食和能量穩(wěn)態(tài)的cluster隨著年齡的增長(zhǎng)而顯著改變：15. Cartpt/Pmch, 34 DEGs; 29. Sst/Npy, 65 DEGs; and 31. Pomc/Tac2, 42 DEGs
在 Pomc/Tac2 cluster (31) 中發(fā)現(xiàn)的許多表達(dá)變化中，有一個(gè)有趣的Pcsk1n下調(diào)。Pcsk1n編碼前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草桿菌蛋白酶/kexin 1 型抑制劑，也稱為 proSAAS，一種抑制其他神經(jīng)肽（如 POMC）加工的前肽；該基因在表達(dá)Cartpt (Cartpt/Ebf1) 的一組神經(jīng)元中也被下調(diào)
值得注意的是，在不同的Cartpt存在表達(dá)的cluster中，該基因隨著年齡的增長(zhǎng)而上調(diào)，表明神經(jīng)肽加工途徑隨年齡的變化是細(xì)胞類型特異性的。
神經(jīng)肽基因表達(dá)的變化也很明顯，Sst/Npy cluster中Agrp的上調(diào)，Cartpt /Ebf1中 Cartpt 的上調(diào)和兩個(gè)Cck + clusters中Cck的下調(diào)?（Synpr/Tafa1和Rnf220/Ntng1）。因此，作者將下丘腦神經(jīng)元特異性基因表達(dá)變化與機(jī)體衰老的關(guān)鍵特征（例如體重和代謝變化）聯(lián)系了起來。
GSEA 揭示了存在與阿爾茨海默氏病、心肌收縮、亨廷頓舞蹈病、氧化磷酸化、帕金森氏病和核糖體相關(guān)的基因的富集