衰老小鼠大脑的空间转录组学分析：揭示白质炎症起源及大脑衰老奥秘

　　

据估计，全球有5000万人患有神经退行性疾病，到2050年这一数字将增加两倍。年龄是许多神经退行性疾病的最大风险因素，包括阿尔茨海默病及相关痴呆（ADRD）、帕金森病（PD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）等。

大脑衰老伴随着明显的形态变化和认知缺陷，这些很可能促成了疾病发生。然而，目前的研究侧重于疾病确诊后的研究，对确诊前的发病机制了解不足。同时，衰老和年龄相关性疾病在大脑等复杂组织中存在空间偏好性，但相关研究才刚刚起步。

为了在细胞和分子层面深入了解大脑衰老，美国NIH国家衰老研究所等机构的研究人员开展了一项针对衰老小鼠大脑的研究 。他们对不同年龄组和性别的小鼠大脑进行了深入的时空分析，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员主要运用了以下技术方法：首先是空间转录组学（ST）技术，利用10x Genomics Visium平台对小鼠大脑进行分析；其次是免疫荧光成像技术，在蛋白质水平验证空间转录组学的发现；还有磁共振成像（MRI）技术，通过扩散MRI（dMRI）研究纤维束区域的微观结构变化；此外，他们还运用RCTD等算法来推断细胞类型，以及机器学习方法来预测基因表达的表观遗传驱动因素。

衰老小鼠大脑的空间转录组学分析

研究人员对3个年龄组（幼年（~11周）、中年（~57.5周）、老年（~126周））、雌雄两种性别的C57BL/6JN小鼠大脑进行空间转录组学研究。每个年龄组包含4次生物重复（雄性2只、雌性2只）和2次技术重复，总共有24个样本。

他们利用Visium空间平台来测定组织切片中的总mRNA。通过优化组织透化时间等实验步骤，他们获得了高质量的空间分辨RNA-seq数据。分析发现，空间转录组学图谱可将大脑划分为7个不同的解剖区域，包括纹状体/脑核（CNU）、同型皮质、嗅觉区（OLF.CTXsp）、纤维束、海马体、下丘脑和丘脑。

大脑解剖区域的年龄相关mRNA变化

研究人员通过方差分析（ANOVA）来确定不同年龄组的大脑区域中丰度差异的mRNA（DAR）。结果显示，随年龄上调的DAR表现出明显的免疫激活特征，而随年龄下调的DAR与大脑发育和成人神经发生有关。

此外，与年龄相关的DAR在小鼠大脑中表现出明显的空间偏好性。其中，纤维束区域的DAR数量最多，变化也最为显著，许多DAR与细胞外基质、伤口愈合、细胞运动和迁移相关，表明该区域存在持续的损伤和修复过程。

衰老纤维束表现出免疫激活迹象

基因集富集分析（GSEA）表明，衰老大脑纤维束中的免疫调节mRNA显著增加，尤其是与小胶质细胞激活、补体系统激活和反应性星形胶质细胞增生相关的mRNA。免疫荧光实验进一步证实，在老年小鼠大脑的纤维束区域，激活的小胶质细胞和星形胶质细胞标记物表达增加。

衰老纤维束的结构完整性丧失

白质损伤的一种表现形式是脱髓鞘。于是，研究人员开始寻找脱髓鞘的证据。他们发现，随着年龄增长，纤维束区域的髓鞘相关蛋白（MBP和CNPase）染色减少。dMRI结果也显示了与年龄相关的白质微观结构变化，反映白质纤维束随年龄增长而减少。这些综合的成像数据证实了老年大脑中白质完整性的丧失。

雌性小鼠大脑发生更强的促炎变化

性别对神经退行性变的影响是复杂的，但了解不多。研究人员发现，与雄性小鼠相比，雌性小鼠大脑在转录水平上表现出更强的年龄相关神经炎症反应。同时，海马体、丘脑和下丘脑等区域存在性别特异性的mRNA表达差异。

基因表达的表观遗传驱动因素预测

基因表达受到转录因子（TF）活性的严格调控。通过机器学习方法，研究人员构建预测模型来鉴定衰老大脑中基因表达变化的关键转录因子。结果表明，在一个脑区进行训练的模型在预测该脑区的基因表达时准确率较高，但训练后的模型也能推广到其他脑区，只是准确率较低。他们还发现，C/EBPβ和YY1等转录因子与神经炎症基因的表达调控有关。

研究人员指出，他们的研究对衰老小鼠的大脑进行了系统的时空分析，为大脑衰老研究提供了详细的全脑空间注释和大量数据。研究发现大脑衰老过程中存在明显的神经炎症和突触功能下降，纤维束是大脑衰老的关键区域，这可能与白质的独特组成和结构有关。

此外，研究还强调了在衰老研究中考虑性别的重要性，雌性小鼠大脑表现出更强的炎症反应，这可能意味着女性在年龄相关的大脑功能丧失方面风险更高。

这项研究为进一步分析正常大脑的衰老机制以及神经退行性疾病的发病机制提供了宝贵的资源，有助于推动相关治疗方法的开发 。