褪黑素不僅可以調節老年人明顯改變的睡眠/覺醒節律，還可以減緩與年齡相關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的線粒體功能障礙，抑制脂質過氧化，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譜變化的影響目前仍知之甚少。
 

近期，沈陽藥科大學臨床藥學系趙慶春教授團隊在Pharmacological Research（IF 10.334）上發表題目為“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，研究褪黑素對大腦衰老的影響，發現褪黑素可以通過調節大腦能量代謝和脂質代謝減緩與年齡相關的大腦衰退過程。中科新生命為其提供了DIA蛋白組學技術服務。
 

 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）
 

 技術路線
步驟1：觀察褪黑素使用前后小鼠代謝速率和海馬區抗炎細胞活性；
步驟2：褪黑素使用前后小鼠海馬區腦組織的轉錄組測序；
步驟3：褪黑素使用前后小鼠海馬區腦組織的蛋白組和脂質組測定；
步驟4：轉錄組、蛋白組和脂質組數據聯合分析解析褪黑素功能機制。

研究結果

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測系統 (CLAMS) 發現代謝速率最大的13月齡小鼠在口服褪黑素之后，其耗氧量、二氧化碳產生率和熱量釋放均顯著降低。FDG PET成像與免疫熒光檢測發現褪黑素通過抑制神經炎癥減少中年小鼠的腦能量釋放。進一步形態學分析發現褪黑素可抑制小膠質細胞和星狀細胞的過度激活，保護神經元，抑制神經炎癥。

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. 轉錄組發現褪黑素調控脂質代謝

作者通過對比使用褪黑素前后小鼠海馬組織的轉錄組結果，發現差異表達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)代謝通路相關的年齡依賴基因變化最為顯著。
 

圖2 轉錄組學數據

 

3.  蛋白質組學發現褪黑素影響線粒體電子轉運

作者利用DIA蛋白組學技術在每個樣本中鑒定到了4000多個蛋白，發現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，這與轉錄組結果相反。GO分析顯示，與TCA循環和碳代謝相關的蛋白質以及氨基酸的合成和代謝相關的蛋白變化最大。PPI網絡分析顯示有多個調控蛋白模塊，核心蛋白模塊均與線粒體功能相關，與纈氨酸、亮氨酸、亮氨酸的合成代謝和鏈復合體I的修復相關的也是核心調控模塊。這些結果表明，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 蛋白組學數據

 

4. 脂質組學發現褪黑素與小鼠海馬脂質譜變化有關

作者利用脂質組學，共鑒定出1289種脂質代謝物，其中隨小鼠年齡增加發生顯著變化的大部分是不飽和長鏈脂質。作者又將脂質組與蛋白組的數據進行相關聯分析，發現大多數上調的差異蛋白與大部分脂質呈正相關。作者進一步分析了海馬神經元線粒體的超微結構，發現與對照組相比，褪黑素處理的中年小鼠的海馬神經元線粒體形態改變，尺寸增加且線粒體受損減少。

圖4 多組學整合分析
 

小編小結

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節作用。多組學分析和病理結果表明，褪黑素可能通過調節核心蛋白來緩解脂質代謝紊亂，從而修復線粒體功能，減少神經元損傷，進而減緩與年齡相關的大腦衰退機制。