今天给大家分享的文献是加州大学戴维斯分校研究人员于今年10月份发表在Nature Communications上的一篇文献。这篇文献中发表了小鼠大脑中第一个代谢物图谱，这个数据集包括雄性和雌性野生型小鼠从青春期到成年期和进入老年期的10个脑区的1547个不同代谢分子。

衰老小鼠脑代谢图谱

摘要

神经化学是脑神经生理和病理的基础，哺乳动物的大脑主要依靠神经化学来实现其功能。然而，据目前的研究成果而言，人们对大脑代谢组的复杂性及其在疾病或衰老期间的变化仍知之甚少；所以，本文研究人员从青春期到成年期和进入老年期的10个脑区生成了野生型小鼠大脑的代谢组图谱。他们结合了三种不同的分析数据，对1547种代谢物进行了结构注释。结果发现几乎所有的代谢物在不同的大脑区域或不同阶段的年龄组内存在着显著差异，但不同性别的小鼠之间的差异并不显著。此外，与髓鞘重塑相关的衰老过程中，鞘脂也随着代谢途径的改变发生了巨大的变化。功能相关的大脑区域之间的代谢组变化也相似。在大脑中，青春期和成年小鼠之间的代谢相关性明显减弱，而在老年期，跨区域相关性的变化也反映了大脑分区的弱化。同时，代谢组的变化可以映射到现有的基因和蛋白质脑图谱。研究人员将这个脑代谢图谱整合成一个开放的交互式网站（https://mouse.atlas.metabolomics.us/），可以让我们可视化10个不同区域、4个不同时间点以及不同性别小鼠脑之间的代谢组水平的差异。

结果

1. 衰老小鼠大脑代谢图谱的生成

研究人员分别在四个不同时间段取了16只（8只雄鼠和8只雌鼠）野生型小鼠的脑组织进行研究，四个时间段分别是AD(3周)、成年早期(EA，16周)、中年（MA，59周）和OA（92周）。研究所涉及的脑区从解剖学角度来说一共包含了10个不同的区域：大脑皮层（CT）、嗅球（OB）、海马（HC）、下丘脑（HT）、基底节（BG）、丘脑（TL）、中脑（MB）、桥脑（PO）、髓质（MD）和小脑（CB）。图1a中展示了本研究的整体流程图。

研究人员使用ClassyFire分类方法将代谢物定义为八个大类（图1b）。和预期的一样，复合脂质在大脑代谢物中所占的比例最大，这是因为大脑脂质的内源性很高。绝大多数的大脑代谢物分布在所划分的十个大脑区域中，以维持大脑的基本功能（图1c）。通过Consensus PathDB（http://cpdb.molgen.mpg.de/）对HILIC和GC-resolved代谢物进行通路富集，在图1d中展示了富集结果中的前10条通路。

图1 小鼠大脑图谱数据集概述

2. 质量评估

为了评估整体分析方法的准确性，研究人员构建了质控参考样本（QC）。然后对数据进行标准化、去批次和主成分分析（PCA）等一系列分析。图2a中PCA结果显示，QC样本被紧密地聚集在一起，说明测序技术上的偏差已经很小。相反，不同时间点的大脑样本很好的区分开来了，说明这些样本之间生物学上的差异很显著。研究人员接着又发现同一脑区内的代谢物相关性很强，而不同脑区之间的相关性明显减弱（图2b）。说明由特定代谢物/代谢物相关模式捕获的不同大脑区域的数据集和不同的代谢表型具有良好的生物学可重复性。

图2 小鼠脑代谢组的数据质量评估

3. 小鼠大脑的区域代谢组结构

当根据不同的研究参数（即大脑区域、年龄和性别等）进行PCA分析时，生物学上的差异会变得很明显。根据图2a显示，根据年龄分离样本时，数据集总代谢差异为12%，显示出青春期、成年早期和中年小鼠之间有明显差异，但其实中年小鼠和老年小鼠之间也存在着显著差异。不同性别之间大脑代谢组的差异很小，这说明大脑化学物质变化主要是跟时间和空间相关，而不是由性激素来主要调节的。图3a中的PCA结果图展示了不同脑区的代谢表型之间的差异。当只分析成年早期的小鼠的不同脑区时，它们之间的差异会更加显著（图3b）。从解剖学角度而言，代谢表型是符合解剖学上的区域划分的。此外，在大脑基因组图谱中也观察到了大脑区域有类似的分子分化，说明基因组学、转录组学和代谢组学在大脑区域化和发育中的一致性。

接下来，研究人员利用大脑代谢组的相关性来研究不同脑区之间的特定代谢差异。对所有10个脑区的斯皮尔曼相关性矩阵（图3c）分析显示，每个脑区内的代谢组成分具有高度正相关性，但不同区域之间存在负相关性。这反映了不同脑区的不同功能。图3d中以热图的形式展示了不同脑区差异代谢物的情况。脑代谢图谱显示BG中神经递质多巴胺及其代谢物高度富集，这与Allen Brain Atlas project（http://mouse.brain-map.org/）中多巴胺受体Drd1和Drd2的原位杂交结果相一致（图3e）。同样的，腺苷和鸟嘌呤的富集结果也与原位杂交结果相一致（图3f-g）。

图3 小鼠大脑的区域生化差异

4. 衰老对小鼠脑代谢的影响

在衰老过程中，大脑在结构和功能上都会发生一系列的变化。但是目前的基因组和转录组的研究还未能完全了解衰老如何影响大脑代谢。图4b中PCA图展示了不同年龄代谢组上的巨大差异。为了可视化代谢组上的差异，研究人员绘制了每个年龄段大脑区域的相关性矩阵（图4a）。结果发现，从青春期小鼠到成年早期小鼠的过渡中，脑干和大脑之间从高度正相关转变为高度负相关；同时，不同脑区内部的相关性也显著减弱。在衰老过程中，不同脑区内部之间的相关性也逐渐减弱，脑干和大脑之间的负相关性逐渐消失。以上结果说明，在成熟阶段大脑功能特异性增加，在衰老期间去分化。

先前的研究表明，大脑发育和衰老都不是在所有区域同步发生的。在本研究中发现，每个区域的代谢相关热图（图4c）的衰老趋势也是如此，不同区域的变化会有所不同。这些发现验证了代谢水平上大脑发育的不同过程。代谢调节中单个代谢物水平的变化也很明显，代谢组的无监督聚类分析和热图（图4d）都说明了衰老期间代谢物的转移模式。研究人员在图4e中单独展示了多巴胺、腺苷和瓜氨酸在大脑区域衰老过程中的差异。

图4 衰老对小鼠大脑代谢组的影响

5. 鞘脂的动态变化展示了成年大脑中的髓鞘重塑过程

接下来，研究人员还研究了小鼠大脑代谢组图谱能否深入了解生物学过程。他们发现了三种鞘脂的年龄依赖性的动态变化，分别是HexCers、sHexCers和SMs。热图显示，从青春期到成年早期这些髓鞘会显著增加，而从中年到OA期大幅度减少（图5a），特别是对于具有C20–26脂肪酰基的HexCers和sHexCers。这一发现与3周龄小鼠大脑中神经酰胺合成酶2（CerS2）的上调（图5b）一致，而60周龄小鼠大脑中神经酰胺合成酶2（CerS2）的下调一致。髓鞘是中枢神经系统中一种必不可少的结构，用于隔离神经元轴突，以加速神经元传递和维持神经元功能。图5c中总结了脑衰老过程中髓鞘-鞘脂变化过程。总得来所，超长链鞘脂从青春期到中年大脑逐渐增加，随后从老年逐渐减少。所有年龄组的长链鞘脂几乎保持恒定水平。

图5 衰老小鼠大脑中鞘脂的动态变化

讨论

本研究构建了一个关于衰老小鼠大脑的大规模综合代谢组图谱，该图谱可以映射到先前建立的基因组、转录组和蛋白质组图谱。数据分析表明，代谢组上的差异几乎完全存在于大脑区域之间以及大脑成熟和衰老的变化中，并非由于性别差异。这些代谢组学差异与之前发表的功能和分子表型非常一致。因此，该图谱可作为健康状态的不同小鼠大脑区域的重要储存库，在未来的研究中，可对这些区域的疾病状态或突变影响进行比较，并可用于研究痴呆症和其他与严重骨性关节炎相关的脑功能障碍。