運用離子組學手段探究衰老的秘密
文章標題：Systematic age-, organ-, and diet-associated ionome remodeling and the development of ionomic aging clocks發(fā)表期刊：Aging Cell發(fā)表時間：2020年5月影響因子：7.238
研究背景
生命是永恒不變的話題，所以衰老的秘密自古以來是研究者孜孜不倦研究的重點。我們知道從分子到組織的所有層面的系統(tǒng)性有害變化都與衰老相關，進而導致功能逐漸衰退。在衰老過程中，生物體會積累包括內在的生物過程中的錯誤到外在飲食或環(huán)境等因素的影響在內的各種形式的損傷和其他有害變化。而這些內在和外在的風險因素會干擾正常生理功能，關于這些風險因素所導致基因組、表觀基因組、蛋白質組、轉錄組和代謝組的改變已經(jīng)被很多研究者廣泛報道。然而構成人體的60多種元素，其中既有Na、K、P之類的常量元素，也有Mn、Fe、Zn之類的微量元素，但關于它們的報道卻是近幾年才逐漸引起。今天BIOTREE為大家?guī)鞻adim N. Gladyshev團隊關于衰老與離子組變化的報道。
研究過程及結果
1.離子在各器官中的分布較為穩(wěn)定
作者選擇了3個月至35個月期間共計16個時間點小鼠的八種器官（腦、肺、心、睪丸、肝、肌肉、胰腺和腎）中的13種元素（Na、Mg、Ca、P、S、K、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Se、Mo）使用ICP-MS進行離子組檢測（圖1a）。
圖1 小鼠組織離子表達狀態(tài)總覽
在整個生命過程中，大部分的離子在各個器官間的分布是較為穩(wěn)定的。從PCA可以看出，所有樣本整體是按照器官間的差異進行的聚類，不同器官間存在較為明顯的離子分布差異，而隨著年齡的變化則不太明顯。其中值得注意的是以知更鳥蛋藍（Robin’s egg blue）所代表的肝臟樣本存在較為廣泛的分布，說明肝臟中的離子分布具有更高的多樣性，作者進一步查看了那些離群較遠的樣本，發(fā)現(xiàn)均屬于30-35個月的大齡小鼠，很可能相當于其他的器官而言，肝臟更容易受年齡的影響（圖1b）。圖1c則進一步展示了不同離子在器官中分布的層次聚類熱圖，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)同一種元素的的不同同位素大部分聚類在一起，說明哺乳動物對于元素的利用基本上是不區(qū)分同位素的，大部分過度金屬也聚類在一起。值得注意的是，Ca和Mg在肌肉中有較高的含量這和前人的報道也是一致的。
2.生物體內不同離子間存在相互關系
圖2 跨器官的元素組成特征
為了分析生命周期內各種元素之間的相關性，作者對不同離子計算了相關性�？梢钥吹組g、S、P、K聚成一個顯著相關的數(shù)據(jù)簇，這可能是由于生物體當中這些元素都有較高的含量。除此之外，Mn、Cu、Zn和Mo又聚集成了一個簇，Na和Ca也聚集成了一個簇，這很可能是由于生物體中的鈉鈣交換有關，神經(jīng)元細胞在吸收鈉離子時會釋放鈣離子，以避免細胞內鈣積累（圖2a）。從PCA上則可以發(fā)現(xiàn)，Mn、Ca、Cu和Zn聚集在圖的中央，這些離子在周期表中同屬一個周期，生物體內也大多屬于二價態(tài)，很可能也暗示著生物體對于這些元素利用的相關性（圖2b）。
3.年齡與組織中離子變化的關系
圖3 元素隨年齡的變化規(guī)律
顯而易見的是，絕大多數(shù)離子在大多數(shù)器官中都會隨著年齡而降低，諸如Zn,Cu, Se, Mn, Mg, P, S, K之類的元素，都會在老年發(fā)生系統(tǒng)性獲得缺乏，當然也有些離子在部分器官中隨著年齡的增加而增加，比如腎臟和肌肉中的鈣水平，以及胰腺和睪丸中的鐵水平（圖3a）。除此之外，可以看到絕大多數(shù)器官中離子的變異系數(shù)也會隨著年齡增加而增加，這一現(xiàn)象與隨著年齡的增長組織內穩(wěn)態(tài)的破壞是一致的（圖3b）。但是肺和睪丸呈現(xiàn)相反的情況，可以看到鐵在睪丸中含量和變異系數(shù)會隨著年齡增加而增加，在肺中則恰恰相反，肺部鐵的主要來源是血清，因此鐵的減少可能是該器官血流量減少的標志。在睪丸中觀察到相反的表達模式，很可能是高鐵引起的氧化損傷所導致（圖3c）。此外還可以發(fā)現(xiàn)在極大年齡的小鼠睪丸中發(fā)現(xiàn)了極端上升的鈣水平，因此巨大鈣化很可能只在年齡很大的時候才會發(fā)生（圖3d）。
4.熱量限制對組織中離子分布的影響
圖5 不同組織年齡的離子生物標志物
離子組學技術手段已經(jīng)成為繼代謝組學之后又一新鮮的研究領域，百趣生物期待和您一起探索更多未知的秘密。
