Nature Aging | Vol. 3 | October 2023 | 1288–1311.
doi.org
Transcriptional and epigenetic decoding of the microglial aging process
Xiaoyu Li, Yuxin Li, Yuxiao Jin, Yuheng Zhang, Jingchuan Wu, Zhen Xu, Yubin Huang, Lin Cai, Shuai Gao, Taohui Liu, Fanzhuo Zeng, Yafei Wang, Wenxu Wang, Ti-Fei Yuan, Hengli Tian, Yousheng Shu, Feifan Guo, Wei Lu, Ying Mao, Xifan Mei, Yanxia Rao, Bo Peng
Транскрипционная и эпигенетическая расшифровка процесса старения микроглии
Знакомство
Микроглия — это резидентные иммунные клетки в центральной нервной системе (ЦНС), которые играют важную роль в поддержании гомеостаза мозга от эмбрионального периода его развития до мозга старческого возраста. В последние десятилетия неиммунные функции микроглии были сосредоточены на области позвоночника, модуляции возбудимости нейронов и регуляции гематоэнцефалического барьера (ГЭБ). Благодаря технологическому прогрессу, позволяющему получать изображения в разрешении одиночных клеток, исследователи обнаружили, что микроглия головного мозга состоит из гетерогенных популяций организмов с различной продолжительностью жизни, полом и видом. Это также способствовало идентификации микроглиальных маркеров, регуляторных факторов, путей и генного ландшафта в контексте развития, гомеостаза и заболеваний. Анализ транскрипционных и эпигенетических характеристик микроглии имеет решающее значение для понимания того, как ЦНС поддерживает гомеостаз.
Возраст является одним из главных факторов риска развития заболеваний головного мозга. Старение микроглиальных клеток способствует дисфункции мозга. С одной стороны, микроглия обладает врожденной иммунной памятью и может быть активирована окружающей средой. Даже легкая проблема в раннем возрасте может вызвать пожизненную восприимчивость ко второму стимулу, что приводит к чрезмерному иммунному ответу. Праймированная микроглия с преувеличенными иммунными реакциями проявляет нейротоксический фенотип во время старения мозга и нейродегенерации. Микроглия у старых людей с большей вероятностью будет активирована во время ранних событий и ускорит агрегацию бета-амилоида (Aβ) при болезни Альцгеймера (БА). Кроме того, микроглия, праймированная α-синуклеином, чрезмерно продуцирует провоспалительные факторы и активные формы кислорода (АФК), которые способствуют длительному нейровоспалению и вызывают повреждение дофаминовых нейронов при болезни Паркинсона (БП). Предыдущие исследования показали, что противовоспалительная терапия на основе нестероидных противовоспалительных средств (НПВС) может повлиять на нейродегенерацию, включая БА и БП, хотя результаты противоречивы.
С другой стороны, будучи иммунными клетками, микроглии являются часовыми, контролирующими и защищающими ЦНС. Микроглия демонстрирует снижение функций надзора и фагоцитоза у пожилых животных. Старый мозг производит больше миелиновых обломков, чем молодой мозг. Являясь профессиональным фагоцитом в ЦНС, микроглиальная дисфункция в старом мозге приводит к накоплению в микроглии нерастворимых миелиновых остатков, таких как гранулы липофусцина и липидные капли. «Неразлагаемый мусор», в свою очередь, усиливает дисфункцию микроглии и миелиновую дегенерацию, способствуя когнитивным нарушениям и старению мозга. Стареющая микроглия связана с агрегацией α-синуклеина в нейронах, что предполагает негативное влияние на другие клетки мозга. Более того, дисфункциональная микроглия усугубляет нейродегенерацию. Полногеномные ассоциативные исследования выявили мутации в микроглии (например, TREM2 и APOE) как основные факторы риска позднего начала болезни Альцгеймера. Хорошо задокументировано, что дефицит TREM2 в микроглии также увеличивает риск таупатии, БП, болезни Насу-Хакола и лобно-височной деменции. Напротив, потеря TREM2 оказывает как положительные, так и вредные эффекты в различных контекстах таупатии. Коррекция дефицита TREM2 путем замены микроглии может быть полезной для лечения этих заболеваний. В совокупности микроглия в старом мозге связана с этиологией множественных заболеваний мозга. Тем не менее, как микроглия стареет на транскрипционном и эпигенетическом уровнях, до конца не изучено.
В этом исследовании мы систематически изучали микроглиальные транскриптомы мозга мышей обоего пола молодого, среднего и пожилого возраста. Мы обнаружили, что женская микроглия демонстрирует прогрессирующий процесс старения с молодой, средней и возрастной стадиями. Напротив, мужская микроглия не демонстрировала ступенчатого перехода или промежуточной стадии среднего возраста в процессе старения. Затем мы проанализировали транскрипционную динамику с помощью секвенирования РНК одиночных клеток (scRNA-seq) и оценили доступность хроматина по всему геному с помощью анализа на доступный для транспозазы хроматин с использованием секвенирования (ATAC-seq) на молодой, средней и возрастной стадиях у самок мышей, чтобы проанализировать молекулярные механизмы, регулирующие микроглиальное старение. Являясь надзорными иммунными клетками в ЦНС, микроглии чувствительны к микроокружению. Чтобы понять, как микроглия реагирует на окружающую среду, мы проанализировали транскрипционные и эпигенетические изменения при провокационном воздействии липополисахаридов (ЛПС) на всех трех стадиях женской микроглии. Мы также исследовали потенциальную связь микроглии с другими клетками мозга в разном возрасте.
Когда исследователи изучают конкретный тип старых клеток, они фактически получают сумму всех типов клеток. Разные возрастные типы клеток влияют друг на друга, и фенотип конкретной клетки формируется другими типами клеток. Точно так же при изучении вклада той или иной возрастной клетки в конкретную функцию это практически суммирование всех типов старых клеток. Микроглия и ее среда тесно связаны. Когда микроглиальная клетка стареет, другие клетки мозга также стареют. Трудно проанализировать функции старой микроглии, исключая вклад других старых клеток мозга. Микроглия – это долгоживущие миелоидные клетки с относительно низкой скоростью обновления. Рецептор колониестимулирующего фактора 1 (CSF1R) экспрессируется исключительно в миелоидных клетках головного мозга. Ингибирование CSF1R PLX5622 удаляет большую часть микроглии головного мозга, не затрагивая напрямую другие немиелоидные клетки. Как только ингибирование CSF1R останавливается, остаточная микроглия быстро заселяется всем мозгом путем пролиферации. После трех раундов истощения-репопуляции (3xDR) каждая клетка микроглии пролиферирует 20+ раз. 3xDR укорачивает длину теломер микроглии, аналогично старой микроглии. Потому что совокупное количество делений микроглии составляет около 20 циклов у 2-месячной мыши, каждая микроглиальная клетка пролиферирует около 40 раз, что близко к пределу Хейфлика. Наши результаты показывают, что микроглия 3xDR демонстрирует старческий (или похожий на старый) фенотип в нестареющем мозге. Таким образом, 3xDR позволяет исследователям расшифровывать независимые функции стареющей микроглии, исключая вклад других старых клеток. Используя 3xDR, мы обнаружили, что старческая микроглия сама по себе способствует снижению когнитивных способностей и нарушению миелина.
Таким образом, данное исследование направлено на достижение глубокого понимания возрастных изменений в микроглии, расшифровку молекулярного механизма, лежащего в основе старения микроглиальных клеток, и корреляцию поведения микроглии со старением мозга. Чтобы распространить наши данные среди сообщества, мы создали интерактивный веб-сайт для поиска данных (http://www.microgliatlas.com).
