Nature | 小鼠全脑空间脂质图谱——揭示大脑的脂质分区与生理重塑|小家鼠|白质|神经元|细胞|脂质分区|脂质图谱|转录组

撰文 | 阿童木

大脑不仅由不同类型的神经元和胶质细胞组成，也包含高度复杂的脂质体系。脂质构成神经元和胶质细胞的细胞膜，也是髓鞘、轴突、树突和突触的重要结构基础，并参与突触传递和神经信号传播。然而，与近年来迅速发展的单细胞转录组和空间转录组相比，人们对于不同脂质在整个大脑中的精细空间分布仍缺乏系统认识。

此前研究已经从不同脑区和细胞类型层面揭示了脑脂质组成的显著异质性【1,2】，但相比全脑单细胞和空间转录组图谱，目前仍缺乏覆盖整个大脑、具有高空间分辨率并能够系统联系细胞类型、解剖结构和神经连接的脂质图谱。因此，一个重要问题是：如果完全根据脂质组成而不是传统解剖结构或基因表达来划分大脑，会得到怎样的空间组织图景？

近日，洛桑联邦理工学院（EPFL）Giovanni D’Angelo、Gioele La Manno等在Nature发表题为 The lipidomic architecture of the mouse brain 的研究论文，利用高分辨率质谱成像构建了成年小鼠全脑空间脂质图谱。研究发现，脑脂质组形成大量具有特定空间边界的生化区域，作者将其称为 lipizones（脂质分区）。这些脂质分区不仅与解剖结构和细胞类型相关，还能够反映远端轴突、神经连接以及白质髓鞘的区域异质性。进一步分析发现，妊娠可在这一基础架构上诱导高度区域特异性的脂质重塑。

为了建立全脑脂质图谱，作者利用 MALDI–MSI 对成年小鼠连续冠状脑切片进行分析，并将质谱成像数据配准至 Allen Brain Atlas。整个数据集覆盖11只小鼠、109个脑切片和约720万个空间像素。经过质量控制和脂质注释，作者获得172种高可信度非冗余脂质用于多数下游分析，并基于筛选后的空间脂质信号进行层级聚类，最终定义了539个lipizones。

这些脂质分区呈现出明显的层级组织。最主要的分离首先发生在灰质和白质之间；在灰质内部，又可以进一步识别与皮层层次、细胞体密度以及神经突起分布相关的脂质结构。因此，大脑的空间脂质组成与传统解剖结构高度相关，但两者并不完全重合。

那么，这些脂质差异是否只是不同细胞类型及其基因表达差异的结果？作者将空间脂质组与已有的全脑单细胞和空间转录组数据进行整合。脂质代谢酶的表达与其对应脂质产物之间整体并不存在简单的正相关关系。即使利用全转录组建立非线性预测模型，仍有相当一部分可解释的脂质变化无法由基因表达重建。由此说明，脑脂质组并不是转录组的简单空间投影，而包含额外的生化组织信息。

尽管如此，lipizone 与细胞类型仍存在密切关系。排除主要位于纤维束和小脑的区域后，约76%的 lipizones 与特定细胞类型的空间区域重叠。同一种细胞类型有时可对应多个不同 lipizone，提示脂质组成还可能受到细胞体、神经突起、髓鞘和其他亚细胞结构的影响。

这一特点使空间脂质组显示出与空间转录组不同的能力。作者发现，一些 lipizone 会同时出现在彼此距离很远的脑区。结合 Allen Mouse Brain Connectivity Atlas 后发现，其中106个 lipizones 可以分为两个空间分离但具有方向性神经连接的亚区，其中一端与神经元细胞体区域重叠，另一端则可能对应这些细胞的远端轴突终末。进一步统计显示，具有神经连接的脑区共享 lipizone 的频率，是无连接脑区的2.28倍。因此，空间脂质图谱不仅能够反映细胞位于哪里，还可能通过膜脂组成记录神经元跨越不同脑区延伸形成的长距离连接。

这一分析在白质中揭示了更加明显的差异。传统上，髓鞘通常被视为相对均一的膜结构，但作者发现，不同纤维束和白质区域具有丰富的 lipizone 异质性。进一步分析显示，这些差异主要由少突胶质细胞相关脂质驱动。胼胝体等区域还呈现明显的内外侧脂质梯度，作者提出，这些差异可能部分保留了不同区域髓鞘在发育过程中先后形成的时间信息。针对 Opalin、Klk6 和 CNPase 的免疫染色也显示，白质结构本身存在与 lipizone 类似的区域分区。

在脑室系统中，作者同样发现了此前不明显的脂质分区。脉络丛可依据脂质组成划分为不同区域，多种鞘磷脂在脑室中特异富集；侧脑室壁还存在沿背腹方向变化的脂质梯度。由于这一位置包含成年脑重要的神经干细胞群，这些结果提示神经发生微环境本身也具有精细的脂质生化分区。

在建立静态空间架构后，作者进一步利用妊娠检验这些脂质分区是否会随生理状态发生改变。结果显示，与非妊娠雌鼠相比，妊娠中期小鼠脑内出现广泛但高度区域化的脂质重塑。在215个能够进行比较的 lipizone超类型中，139个出现明显变化，其中脑室、皮层和纤维束受到的影响尤其显著。白质中的变化主要集中于鞘脂。髓鞘标志脂质HexCer 42:2;O2在大量lipizone中升高，并通过胼胝体组织的独立LC–MS分析得到验证，提示妊娠过程中白质可能发生广泛但具有区域选择性的髓鞘脂质适应。

此外，皮层中变化最明显的区域集中在第4层。作者利用网络推断将糖皮质激素受体GR（Nr3c1）列为解释该lipizone脂质变化的候选上游受体，并预测其通过MAPK信号以及Smpd1、Ptdss1和Scd2等脂质代谢节点与这些变化相联系。进一步的单核RNA测序显示，相应L4/5兴奋性神经元中糖皮质激素反应基因特征增强，其中Per1表达上调；免疫染色中Fkbp5、Sgk1以及GR Ser211磷酸化信号也呈升高趋势。这些结果支持GR信号与皮层脂质重塑之间存在联系，但尚不能证明GR是驱动这一过程的直接因果因素。

总体而言，这项研究建立了一张高分辨率的小鼠全脑空间脂质图谱，并提出lipizone作为描述脑内脂质生化空间组织的单位。不同于单纯按照解剖结构或细胞类型进行划分，lipizone同时整合了细胞组成、亚细胞结构、轴突连接和局部膜脂状态等信息，并能够随妊娠等生理状态发生区域选择性重塑。

值得一提的是，Nature同期还刊发了Broad Institute的Evan Macosko撰写的News & Views文章 Brain lipids are organized into zones — and reorganized during pregnancy。该评论指出，这张全脑脂质图谱揭示了一套不同于基因表达和蛋白质图谱的空间组织架构。lipizone不仅与细胞类型和解剖结构相关，还能够反映神经投射和脑区连接，并在妊娠过程中发生区域特异性重塑。评论认为，这项研究为进一步理解脑内高度复杂的脂质组成如何与神经系统的结构和功能相联系提供了重要基础。