脑衰老及退行性病变的多尺度全脑胆固醇图谱研究

Cholesterol is an important component of nerve cell membrane. The amount of cholesterol in the brain accounts for 23% of the total cholesterol in human body. Cholesterol plays critical roles in the maintenance of the normal function of the central nervous system (CNS). The brain cholesterol is also critical in the mechanism of many neurodegenerative disorders such as Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD). However, the details in the modulation of brain cholesterol under physiological and pathological conditions are not clear, due to the lack of powerful and efficacious technology for direct measurement of the cholesterol in the brain. This project is to study the changes in brain cholesterol and its related metabolites during the process of brain aging and degeneration at multi-scale levels (from the organelle level to the cellular level and the whole brain level), by using a series of new technologies we just developed, including single-cell mass spectrometry (PNAS, 2017; Cell, 2018), single-lysosome mass spectrometry and the whole brain mass spectrometry imaging, combined with the synchrotron radiation, which shows high ionization efficiency for cholesterol. Then we will reveal the roles and mechanisms of the changes in brain cholesterol and its related metabolites in the brain aging and degeneration, search related biomarkers for early diagnosis of neurodegenerative diseases, and explore the methods to prevent or delay these brain disorders.

胆固醇是构成神经细胞膜的重要成分，大脑内胆固醇的含量占人体总胆固醇的23%，对于维持神经系统正常功能至关重要，在各种神经退行性病变（阿尔兹海默病、帕金森氏病等）中也起着关键调控作用。由于缺乏对脑内胆固醇的直接有效的研究手段，目前对于神经系统胆固醇在脑衰老及退行性病变中的生理及病理调控机制不清。本项目拟利用同步辐射等先进光源对胆固醇具有较高离子化效率的特点，与本课题组已经研发的原位单细胞质谱检测技术 (PNAS, 2017，通讯作者; Cell, 2018，通讯作者)以及正在建立的单溶酶体质谱和全脑质谱成像技术相结合，从细胞器到单细胞乃至全脑组织水平等多个尺度，全面解析生理及病理条件下大脑内胆固醇及其相关代谢物的变化和分布，并探索这些变化的分子机制，以及这种变化在脑疾病中所起的作用，寻找与之相关的早期诊断分子标志物以及干预靶点，为理解胆固醇在神经系统的功能以及疾病发病机理和诊断提供科学依据。

胆固醇是组成神经细胞的重要组分，大脑是富含胆固醇的器官。胆固醇在调控脑衰老和神经退行性疾病中的作用和机制尚不清楚。本项目从多个尺度，解析了胆固醇在衰老中发生的变化，并解析胆固醇在脑衰老和相关脑疾病中的调控作用及其机制。本项目在执行期间获得以下成果：1). 课题组开发了单细胞器质谱技术，首次实现在单细胞器水平的代谢组检测和分析，并解析了溶酶体在衰老过程中的代谢变化及其异质性（Nature Methods, 2021，最后通讯作者）；2). 建立光辅助电喷雾解析电喷雾质谱成像技术（paDESI），成功检测原本难以检测的胆固醇（Analytical Chemistry, 2019a, 共通讯作者）；3). 优化DESI质谱成像技术，使胆固醇等各类代谢物检测信号得到提升，并利用该技术解析阿尔兹海默病过程中胆固醇在脑内的变化，构建阿尔兹海默病脑代谢图谱（Analytical Chemistry, 2019b, 共通讯作者）；4). 利用上述技术，研究了胆固醇在脑认知功能中的重要作用，揭示了海马脑区胆固醇和学习记忆能力的关系（Molecular Brain, 2021, 唯一通讯作者）；5). 解析胆固醇和甘氨酸受体作用，调控镇痛的机制，将胆固醇和镇痛、衰老联系起来，对研究衰老与胆固醇调控、痛觉调控的相关性提供了基础（FASEB J, 2020, 最后通讯作者；Neuropharmacology, 2020, 唯一通讯作者）；6). 解析酒精协同大麻素调控小脑功能在运动失调中的机制（Nature Metabolism, 2022, 唯一通讯作者）；7). 揭示神经细胞中GABARAP介导GABAA受体膜转运的调控机制（Nature Communications, 2021, 共同通讯作者）；8). 揭示小分子通过胆固醇干预癫痫的新机制（Cell Reports, 2020, 唯一通讯作者）；9). 揭示家族性惊厥病发病新机制，并揭示小分子干预治疗的机制（iScience, 2019, 唯一通讯作者; The Journal of Biochemistry, 2019, 唯一通讯作者）；10). 揭示惊跳反射的神经环路和分子机制（Nature Communications, 2021; Molecular Psychiatry, 2022 唯一通讯作者）。