CC BY
3УДК 575.852'1
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЛИПИДНОГО ПРОФИЛЯ ПЯТИ РЕГИОНОВ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА И ПРИМАТОВ
DOI 10.24412/CL-37228-2024-77-79
М. С. Ланцова1, М. С. Осетрова2, О. И. Ефимова2,
Н. А. Аниканов2, А. И. Митина2, Д. А. Сенько2,
Е. А. Стекольщикова2, Е.Е. Храмеева2, Ф. Е. Хайтович2
'Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия
2Центр нейробиологии и нейрореабилитации Сколтеха имени Зельмана,
Москва, Россия E-mail: [email protected]
Аннотация. Мы провели детальное изучение различий липидного состава головного мозга между человеком и его ближайшими родственниками: шимпанзе, бонобо и макаками на основании данных масс-спектроме-трического анализа липидов в пяти различных репрезентативных регионах мозга. Обнаружены различия в профилях липидов, в целом пропорциональные эволюционным расстояниям между видами, выявлены наиболее эволюционно значимые классы липидов. Показана согласованность между изменения в белом и сером веществе, однако наблюдаются и специфические изменения. Наши результаты показывают потенциальную значимость ли-пидов в эволюции мозга человека.
Ключевые слова: липидомика, эволюция, масс-спектрометрия, головной мозг, биоинформатика.
Липиды играют важную роль в структуре и функционировании тканей и клеток. В человеческом мозге они составляют почти 60% сухой массы [1]. Регулируя химические и механические свойства мембран, липиды оказывают влияние на процессы слияния и деления везикул, поток ионов, а также латеральную диффузию мембранных белков. Гетерогенный состав мембран клеток мозга определяет их специфические функции, передачу сигналов и другие процессы [2]. Поэтому изучение липидома имеет важное значение для понимания работы нервных клеток, эволюционных различий между видами и особенностей строения мозга человека.
В данной работе мы провели детальное изучение различий ли-пидного состава головного мозга между человеком и его ближайшими родственниками: шимпанзе, бонобо и макаками на основании данных масс-спектрометрического анализа липидов в пяти различных репрезентативных регионах мозга. Наша цель состояла в том, чтобы: (а) определить изменения липидного состава регионов мозга, значимо отделяющие человека от других приматов; и (б) более обще исследовать общие принципы эволюционных изменений липидного состава мозга среди приматов.
Пять регионов мозга, использованных в исследовании, включали: серое вещество мозжечка, дорсолатеральную префронтальную кору (зона Бордмана 9), хвостатое ядро, внутреннюю капсулу и переднюю часть мозолистого тела. В результате анализа масс спектрометрических данных в этих регионах была определена относительная представленность 463 липидов, принадлежащих к 21 классу. Дальнейший анализ показал разделение серого и белого вещества с помощью метода главных компонент (PCA) и метода стохастического вложения соседей с t-распределением (tSNE). Для дальнейших этапов анализа был выполнен однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) с фактором группы — видом, с поправкой на множественное сравнение Беньямини-Хохберга.
В соответствии с предсказаниями теории молекулярной эволюции, наибольшие по амплитуде изменения обнаружены между человеком и макакой, показана их корреляция с аналогичными изменениями между человекообразными обезьянами и макакой, а также человеком и человекообразными обезьянами. Далее, амплитуды изменений уменьшаются по мере уменьшения эволюционного расстояния. При помощи метода k-средних были выделены кластеры липидов, у которых наблюдалось повышение/понижение концентрации в ряду макака — человекообразные обезьяны — человек, а также те, которые не менялись в этом ряду, но отличали бонобо и шимпанзе друг от друга.
Анализ с использованием гипергеометрического теста показал, что липиды, демонстрирующие изменения концентрации между видами, были обогащены узкой группой классов липидов: фосфа-тидилхолинами, эфирами холестерина и жирными кислотами — для мозга в целом. Для серого вещества изменения концентрации были обогащены лизофосфатидилхолинами, лизофосфатидилсери-нами и эфирами холестерина и жирными кислотами, а для белого вещества значимого обогащения не наблюдалось.
Сходимость данных с результатами усреднения по мозгу и по белому и серому веществу была проверена для всех регионов и для всех пар сравнения fold-changes. Специфичные для человека изменения липидома были неравномерно распределены между областями мозга: дорсолатеральная префронтальная кора выделялась многократным превышением специфичных для человека изменений среди липидов, тогда как для мозжечка и внутренней капсулы (при том же пороге отсечения p value adjusted < 0,05) значимых пиков не было обнаружено. Наши результаты показывают потенциальную значимость липидов в эволюции мозга человека.
Список литературы
1. Chang C. Y., Ke D. S., Chen J. Y. Essential fatty acids and human brain // Acta Neurol Taiwan. — 2009 Dec. — No 18 (4). — P. 231241. — PMID: 20329590.
2. Jacobson K., Mouritsen O. & Anderson R. Lipid rafts: at a crossroad between cell biology and physics // Nat Cell Biol. — 2007. — No 9. — P. 7-14. — https://doi.org/10.1038/ncb0107-7.
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE LIPID PROFILE OF FIVE BRAIN REGIONS OF THE HUMAN AND PRIMATE BRAINS
Abstract. We conducted a detailed study of the differences in the lipid composition of the brain between humans and their closest relatives: chimpanzees, bonobos and macaques based on data from mass spectrometric analysis of lipids in five different representative regions of the brain. Differences in lipid profiles were found, generally proportional to the evolutionary distances between species, and the most evolutionarily significant classes of lipids were identified. Consistency between changes in white and gray matter is shown, but specific changes are also observed. Our results show the potential importance of lipids in the evolution of the human brain.
Key words: lipidomics, evolution, mass spectrometry, brain, bioinformatics.
