基于单溶酶体代谢组质谱技术的脑衰老向神经退行性变化演变的分子机制研究

There is increasing evidence that lysosomal function and its metabolic components are related to the process from brain aging to neurodegenerative disorders. Lysosomes are important sites for intracellular metabolism. However, due to the lack of techniques, there has been no systematic study of the metabolomes in lysosomes. Lysosomes are heterogeneous, and the function of each lysosome is not completely the same. Therefore, the development of techinques for single lysosomal metabolome detection will be necessary for the in-depth and systematic studies of changes in intracellular small molecules in lysosome during the process from brain aging to neurodegeneration..Based on the previous developed in situ single-cell mass spectrometry technique (Hongying Zhu, PNAS, 2017; Hongying Zhu, Cell, 2018), the applicant will develop a new technology of single lysosomal metabolite mass spectrometry. Then we will use this new technology to study the changes of metabolites in single lysosome of neurons during the process from brain aging to neurodegeneration, and reveal the roles and mechanisms of these changed metabolites in the process. Finally we can find related biomarkers for early diagnosis of neurodegenerative diseases, and explore the methods to prevent or delay the conversion from normal brain aging to neurodegenerative diseases.

越来越多的证据表明溶酶体功能及其代谢组分与大脑衰老及其退行性变化有着密切的关系。溶酶体是代谢的重要场所，对于溶酶体中的代谢组一直没有系统完整的研究，这主要是因为缺乏合适的技术。同时溶酶体又存在异质性，每个溶酶体的功能又不完全相同，因此开发单个溶酶体代谢组检测技术，对于深入系统的研究溶酶体在大脑衰老及其向神经退行性变化演变过程中代谢组分的变化尤为重要。.基于申请人前期开发的原位单细胞质谱检测技术经验 (PNAS, 2017; Cell, 2018)，本项目拟构建单溶酶体代谢组质谱技术，并通过该技术，重点关注在大脑衰老及其向神经退行性变化演变初期过程中大脑细胞内单个溶酶体内代谢组分及其代谢合成通路的变化情况。并探索这种代谢组分变化的原因，及其与大脑衰老和神经退行性变化的相关性和作用机制，最终寻找与这些代谢组分相关的早期诊断标志物以及干预靶点。

越来越多的证据表明溶酶体功能及其代谢组分与大脑衰老及其退行性变化有着密切的关系。溶酶体是代谢的重要场所，对于溶酶体中的代谢组一直没有系统完整的研究，这主要是因为缺乏合适的技术。同时溶酶体又存在异质性，每个溶酶体的功能又不完全相同，因此开发单个溶酶体代谢组检测技术，对于深入系统的研究溶酶体在大脑衰老及其向神经退行性变化演变过程中代谢组分的变化尤为重要。. 在本项目支持下，申请人前期自主研发的单细胞代谢组学检测技术（PNAS, 2017，第一作者；Cell, 2018，第一作者），构建了世界上首个单溶酶体代谢组质谱检测技术（SLMS），首次实现了对细胞内单个溶酶体直接无需任何前处理的代谢组的检测，更为真实的保留了溶酶体内代谢组的信息，并同时可以同步获得该溶酶体膜通道的电生理信息基于单溶酶体代谢组，我们对不同来源多种细胞（如神经元、胶质细胞、肾细胞、成纤维细胞、上皮细胞等）的溶酶体进行了分类，发现在各类细胞中溶酶体均被分为了5个亚群，且均包含已知的内吞溶酶体（Endolysosome）和自噬溶酶体（Autolysosome），证明了该技术在研究单溶酶体代谢组并基于代谢组对溶酶体进行分类的可行性和普适性。利用该技术在单细胞器尺度研究了衰老细胞中各类溶酶体的代谢组的变化，发现在细胞衰老过程中溶酶体的代谢变化是存在溶酶体类型特异性的，且每类溶酶体亚群的代谢组学改变均不相同（Nature Methods, 2021, 18, 788-798, 第一作者；封面文章）。. 此外，申请人团队还利用单细胞质谱技术研究了细胞衰老的异质性，并基于单细胞代谢组学对细胞进行分类及未来衰老的可能进行预测。并研究了阿尔兹海默病发病过程中CA1兴奋性神经元代谢组的变化。