突破性的2100万个细胞研究改变了我们对衰老的理解

诸平

Fig. 1 A large-scale single-cell study shows aging happens in specific stages driven by molecular cues, offering targets to modify the aging process and revealing key age and sex-related cellular differences. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 A chart showing the explosive expansion in proportion of Granzyme K+ CD8+ T cells in mice across multiple organs as they age. Credit: Laboratory of Single-cell Genomics and Population Dynamics

据美国洛克菲勒大学（Rockefeller University）2024年12月21日提供的消息，突破性的2100万个细胞研究改变了我们对衰老的理解（Groundbreaking 21-Million Cell Study Revises Our Understanding of Aging）。

正如洛克菲勒有史以来最大的哺乳动物衰老图谱所显示的那样，衰老发生在不同的阶段，以器官间同步的细胞变化为标志。他们的发现为针对衰老过程提供了线索，并揭示了细胞动力学中关键的年龄和性别差异。

如果你将7月和12月拍摄的枫树照片进行比较，你会发现它们之间的差异是惊人的：夏天是充满活力的绿色树冠，而冬天是光秃秃的树枝。这些图像无法揭示的是这种转变是如何发生的，是渐进的还是突然的。实际上，落叶树通常会等待环境的变化，比如光线或温度的变化，然后在一到两周的短暂时间内脱落所有的叶子。

说到衰老，我们可能比我们意识到的更像这些树。

洛克菲勒大学单细胞基因组学和种群动力学实验室（Rockefeller University’s Laboratory of Single-Cell Genomics and Population Dynamics）的突破性研究表明，衰老在细胞水平上遵循类似的轨迹。相关研究结果于2024年11月28日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Zehao Zhang, Chloe Schaefer, Weirong Jiang, Ziyu Lu, Jasper Lee, Andras Sziraki, Abdulraouf Abdulraouf, Brittney Wick, Maximilian Haeussler, Zhuoyan Li, Gesmira Molla, Rahul Satija, Wei Zhou, Junyue Cao. A panoramic view of cell population dynamics in mammalian aging. Science, 2024 Nov 28:eadn3949. DOI: 10.1126/science.adn3949. Published: 28 November 2024.其实这项研究成果早在2024年3月5日已经在预印本文库网站发布{bioRxiv[Preprint]. 2024 Mar 5:2024.03.01.583001. [Version 1] doi: 10.1101/2024.03.01.583001}。

参与此项研究的有来自美国纽约洛克菲勒大学单细胞基因组学和种群动力学实验室（Laboratory of Single-Cell Genomics and Population Dynamics, The Rockefeller University, New York, NY, USA）、美国洛克菲勒大学大卫·洛克菲勒生物科学研究生项目组（The David Rockefeller Graduate Program in Bioscience, The Rockefeller University, New York, NY, USA）、美国纽约三机构医学博士项目组（The Tri-Institutional MD-PhD Program, New York, NY, USA）、美国加州大学圣克鲁斯基因组研究所（UC Santa Cruz Genomics Institute, University of California, Santa Cruz, CA, USA）、美国纽约基因组中心（New York Genome Center, New York, NY, USA）、美国纽约大学基因组学和系统生物学研究中心（Center for Genomics and Systems Biology, New York University, New York, NY, USA）的研究人员。

在此项研究中，实验室负责人曹俊岳（Junyue Cao音译）和他的团队使用单细胞测序技术分析了来自5个不同生命阶段小鼠所有主要器官的2100多万个细胞。这一前所未有的努力在一次研究中产生了世界上最大的细胞图谱。

他们的发现表明，在生命的特定阶段，每个器官中的某些细胞群都会以相同的方式和时间发生变化。这表明衰老不是一个线性过程，而是一个由特定分子线索引发的发育阶段。

曹俊岳说：“一些细胞的数量会大幅增加，而另一些则会减少，经历这种变化的细胞因年龄的不同而异。更重要的是，其中一些变化是由相同的分子特征控制的，所以我们可能能够针对它们来延缓甚至重新编程衰老过程本身。”

从定制技术到通用平台(From bespoke technique to universal platform)

单细胞测序是曹俊岳实验室的专长，是一种以单个细胞的遗传表达和分子动力学为中心，同时揭示所研究的每个细胞的身份的遗传分析方法。他的团队此前曾使用单细胞测序来发现新的罕见脑细胞类型（rare brain cell types），并追踪脑细胞的衰老过程，以及其他目的（track how brain cells age, among other purposes）。

在大脑研究中，他们还发现不同年龄的细胞数量和细胞动力学不同。在目前的研究中，由研究生张泽豪（Zehao Zhang音译）领导，他们好奇地想知道身体的其他部位是否也发生了类似的变化。

为了做到这一点，张泽豪调整了EasySci，这是一种由该小组开发的单细胞测序方法，并用于他们的大脑衰老研究，以扩大其细胞范围，包括小鼠的所有主要器官，这是一项由张泽豪独自完成的艰巨任务。他说：“最具挑战性的方面是优化EasySci，使其能够跨多种哺乳动物器官工作，同时保持高质量的数据。由于以前的大多数研究通常集中在特定的器官上，或者对不同的器官使用不同的方案，因此在我们开始真正的实验之前，制定一个通用的方案需要在不同的器官上测试数千种情况。”

由于张泽豪的努力，EasySci现在是一个主要哺乳动物器官的统一分析平台，能够系统地解剖整个生物体的衰老和疾病机制。

在目前的研究中，他们用它来揭示大约2100万个细胞的单核转录组谱，这些细胞取自600多个样本，分别是雄性和雌性老鼠，它们处于从年轻到老年的五个不同的生命阶段。

临界时间窗口(Critical time windows)

研究小组发现，超过10种主要细胞类型和200种细胞亚型持续经历与年龄相关的显著消耗或扩增。例如，在成年早期（小鼠为3~12个月），脂肪、肌肉和上皮组织中的特定细胞亚型数量明显下降，而在成年晚期（小鼠为12~23个月），不同类型的免疫细胞数量激增。

有趣的是，许多这些变化都与细胞的特定基因表达有关，而不管它们是在哪里发现的。曹俊岳说：“我们在不同的器官中发现了细胞亚型，它们可能具有不同的功能。但它们似乎是由相同的分子过程控制的。”

他补充说：“我们基本上已经确定了每个阶段变化的细胞基础，并记录了它们不是随着时间的推移逐渐发生的，而是在生命的特定阶段发生的。现在我们已经确定了在不同细胞群中显示非常强烈变化的关键时间窗口，这为我们如何干预衰老过程提供了重要线索。”

免疫细胞的数量在晚年尤为突出。曹俊岳说：“我们发现许多不同的B细胞和T细胞亚型在不同的器官中得到强烈的扩展。”这些细胞过多会引起炎症和自身免疫性疾病。曹俊岳说，事实上，当研究人员检查两只缺乏这种细胞的免疫缺陷小鼠时，他们发现B细胞和T细胞的消耗逆转了与衰老相关的其他几种细胞类型的变化，突出了衰老过程中的细胞调节网络。

他们还发现了非常小的新细胞群，有些只有500个细胞。它们在衰老中扮演什么角色还有待研究，但一些极其罕见的细胞类型已被证明能够协调关键功能，曹俊岳说。“以脑垂体细胞（pituitary gland cells）为例：这个很小的群体分泌对生长、生殖发育和器官功能至关重要的激素。”

年龄和性别差异(Age and sex differences)

出乎意料的是，他们还发现雄性和雌性老鼠在每个器官上都有数百种不同的细胞状态，张泽豪说。其中包括脂肪细胞祖细胞（adipocyte progenitor cells），它在雄性和雌性之间表现出不同的分子状态，以及雌性特有的与衰老相关的B细胞扩增。

总之，这些年龄和性别差异可能有助于解释为什么女性，尤其是老年女性，比男性更容易患上自身免疫性疾病。

他们还强调了性别平衡细胞样本（sex-balanced cell samples）在衰老和疾病研究中的重要性，张泽豪说。“许多研究集中在一种性别上，以降低成本并保持一致性，但这一发现强调了包括两性的重要性，以揭示普遍的机制或开发性别特异性治疗。”

未来研究的金矿(A goldmine for future research)

该研究的2100万个细胞数据集被称为PanSci，是迄今为止创建的最大的哺乳动物衰老单细胞测序图谱，曹俊岳的实验室已经在计划基于该资源的几个未来项目。例如，他们打算更深入地研究数百种表现出雄性和雌性小鼠之间巨大差异的细胞亚型，以及那些参与衰老过程的细胞亚型，其中许多仍然缺乏特征或研究。

“我认为我们的发现可能被用于识别一些性别特异性疾病的细胞基础，”曹俊岳说。

张泽豪补充说，世界各地的科学家也可以为他们自己的研究挖掘PanSci。他说：“研究特定器官的研究人员可以提取特定器官的数据，而那些专注于特定细胞系（如免疫细胞或内皮细胞）的研究人员可以从不同的器官中提取相同类型的细胞。由于数据集经过精心整理和注释，因此非常适合训练大型机器学习模型，用于年龄预测、寻找稀有细胞类型以及为计算机微扰研究构建虚拟细胞等应用。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

To elucidate aging-associated cellular population dynamics, we present PanSci, a single-cell transcriptome atlas profiling over 20 million cells from 623 mouse tissues across different life stages, sexes, and genotypes. This comprehensive dataset reveals more than 3,000 unique cellular states and over 200 aging-associated cell populations. Our panoramic analysis uncovered organ-, lineage-, and sex-specific shifts of cellular dynamics during lifespan progression. Moreover, we identify both systematic and organ-specific alterations in immune cell populations associated with aging. We further explored the regulatory roles of the immune system on aging and pinpointed specific age-related cell population expansions that are lymphocyte dependent. Our “cell-omics” strategy enhances comprehension of cellular aging and lays the groundwork for exploring the complex cellular regulatory networks in aging and aging-associated diseases.