褪黑素不僅可以調(diào)節(jié)老年人明顯改變的睡眠/覺醒節(jié)律，還可以減緩與年齡相關(guān)的大腦功能衰退的過程。以往大量研究表明，褪黑素可通過清除活性氧改善與衰老相關(guān)的線粒體功能障礙，抑制脂質(zhì)過氧化，維持生物膜流動性，抵抗自由基攻擊。然而，褪黑素對年齡依賴性線粒體功能和大腦脂質(zhì)譜變化的影響目前仍知之甚少。
 

近期，沈陽藥科大學(xué)臨床藥學(xué)系趙慶春教授團(tuán)隊在Pharmacological Research（IF 10.334）上發(fā)表題目為“An integrated multi-omics approach revealed the regulation of melatonin on age-dependent mitochondrial function impair and lipid dyshomeostasis in mice hippocampus”的研究成果。該研究利用DIA蛋白組等技術(shù)，研究褪黑素對大腦衰老的影響，發(fā)現(xiàn)褪黑素可以通過調(diào)節(jié)大腦能量代謝和脂質(zhì)代謝減緩與年齡相關(guān)的大腦衰退過程。中科新生命為其提供了DIA蛋白組學(xué)技術(shù)服務(wù)。
 

 研究材料
褪黑素處理與不處理的不同月齡（23個月組、11個月組和7個月組）小鼠大腦組織（n=8）
 

 技術(shù)路線
步驟1：觀察褪黑素使用前后小鼠代謝速率和海馬區(qū)抗炎細(xì)胞活性；
步驟2：褪黑素使用前后小鼠海馬區(qū)腦組織的轉(zhuǎn)錄組測序；
步驟3：褪黑素使用前后小鼠海馬區(qū)腦組織的蛋白組和脂質(zhì)組測定；
步驟4：轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和脂質(zhì)組數(shù)據(jù)聯(lián)合分析解析褪黑素功能機制。

研究結(jié)果

1. 褪黑素可降低中年小鼠全身能量代謝和腦能量釋放

研究者使用綜合實驗動物監(jiān)測系統(tǒng) (CLAMS) 發(fā)現(xiàn)代謝速率最大的13月齡小鼠在口服褪黑素之后，其耗氧量、二氧化碳產(chǎn)生率和熱量釋放均顯著降低。FDG PET成像與免疫熒光檢測發(fā)現(xiàn)褪黑素通過抑制神經(jīng)炎癥減少中年小鼠的腦能量釋放。進(jìn)一步形態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)褪黑素可抑制小膠質(zhì)細(xì)胞和星狀細(xì)胞的過度激活，保護(hù)神經(jīng)元，抑制神經(jīng)炎癥。

圖1 褪黑素可降低中年小鼠全身能量代謝和腦能量釋放
 

2. 轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)褪黑素調(diào)控脂質(zhì)代謝

作者通過對比使用褪黑素前后小鼠海馬組織的轉(zhuǎn)錄組結(jié)果，發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)基因隨著小鼠年齡的增加呈上升趨勢，其中TGF-β信號通路和磷脂酰肌醇(PI)代謝通路相關(guān)的年齡依賴基因變化最為顯著。
 

圖2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)

 

3.  蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)褪黑素影響線粒體電子轉(zhuǎn)運

作者利用DIA蛋白組學(xué)技術(shù)在每個樣本中鑒定到了4000多個蛋白，發(fā)現(xiàn)褪黑素處理組和對照組之間的差異蛋白隨著年齡的增長而下降，這與轉(zhuǎn)錄組結(jié)果相反。GO分析顯示，與TCA循環(huán)和碳代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)以及氨基酸的合成和代謝相關(guān)的蛋白變化最大。PPI網(wǎng)絡(luò)分析顯示有多個調(diào)控蛋白模塊，核心蛋白模塊均與線粒體功能相關(guān)，與纈氨酸、亮氨酸、亮氨酸的合成代謝和鏈復(fù)合體I的修復(fù)相關(guān)的也是核心調(diào)控模塊。這些結(jié)果表明，慢性給予褪黑素可影響小鼠海馬線粒體電子傳遞和氨基酸降解。

圖3 蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)

 

4. 脂質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)褪黑素與小鼠海馬脂質(zhì)譜變化有關(guān)

作者利用脂質(zhì)組學(xué)，共鑒定出1289種脂質(zhì)代謝物，其中隨小鼠年齡增加發(fā)生顯著變化的大部分是不飽和長鏈脂質(zhì)。作者又將脂質(zhì)組與蛋白組的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)上調(diào)的差異蛋白與大部分脂質(zhì)呈正相關(guān)。作者進(jìn)一步分析了海馬神經(jīng)元線粒體的超微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，褪黑素處理的中年小鼠的海馬神經(jīng)元線粒體形態(tài)改變，尺寸增加且線粒體受損減少。

圖4 多組學(xué)整合分析
 

小編小結(jié)

綜上所述，本研究表明褪黑素對中年小鼠的腦熱量代謝具有調(diào)節(jié)作用。多組學(xué)分析和病理結(jié)果表明，褪黑素可能通過調(diào)節(jié)核心蛋白來緩解脂質(zhì)代謝紊亂，從而修復(fù)線粒體功能，減少神經(jīng)元損傷，進(jìn)而減緩與年齡相關(guān)的大腦衰退機制。