专栏名称: BioArt

BioArt致力于分享生命科学领域科研学术背后鲜为人知的故事，及时报道和评论生命科学领域有料的动态，BioArt也是一个生命科学领域“百花齐放，百家争鸣”的舞台，循“自由之思想”与“独立之精神”为往圣继绝学。

Science｜绘就细胞生命画卷：曹俊越团队解析哺乳动物衰老的全景细胞动态图谱

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-29 08:29

正文

“千丈之堤，以蝼蚁之穴溃；百尺之室，以突隙之烟焚”。我们身体中的某些脆弱细胞，或许正是决定衰老进程的关键所在。捕捉这些在衰老中尤为脆弱的细胞状态，成为破解衰老奥秘的一大挑战。

2024年11月28日，美国洛克菲勒大学曹俊越课题组在Science在线发表文章A Panoramic View of Cell Population Dynamics in Mammalian Aging。第一作者为洛克菲勒大学在读博士生张泽昊。在这项研究中，研究人员构建了一张覆盖超过两千万个细胞的哺乳动物衰老全景图谱（PanSci），首次揭示了不同器官、性别和衰老阶段的细胞动态变化。这一研究不仅为我们理解衰老背后的分子与细胞网络提供了全新视角，也为未来抗衰老治疗奠定了重要基础。值得特别关注的是，研究团队创新性地提出了“细胞敲落”（cell-knockdown）策略，通过引入免疫缺陷小鼠模型，构建全身成熟淋巴细胞的敲落。借助这一策略，研究揭示了免疫细胞如何通过复杂的协同调控网络影响其他细胞群体的变化，为探索免疫系统在衰老中的作用机制提供了宝贵的实验依据。

此项研究基于曹俊越课题组此前开发的单细胞组合标记（single-cell combinatorial indexing）测序技术 EasySci。研究人员针对不同种类的哺乳动物组织和器官，优化了超过千余种细胞核提取条件，建立了一个统一的跨器官单细胞分析平台，实现了对小鼠多个器官或组织的全面分析，包括脑、肝脏、肾脏、肺、心脏、肌肉、胃、十二指肠、空肠、回肠、结肠、棕色脂肪组织、腹股沟脂肪组织以及性腺旁脂肪组织等。借助 EasySci 低成本、高通量的优势，该技术无需大量人工操作，由在读博士生张泽昊一人便完成来自 639 个组织样本的超过 2000 万个单细胞的高精度转录组描绘。值得一提的是，该平台在实验流程中自然降低了批次效应，使得无需额外的批次校正即可实现不同样本间的一致性。研究覆盖了从成年到老年的五个生命阶段，并在每个阶段严格保证性别均衡采样。由于不同性别个体在衰老过程中呈现出显著的分子和细胞差异，这种性别均衡的采样设计对研究衰老机制至关重要，也确保了研究结果更具普遍性。

文章首先探索了多个主要细胞类型和亚型的性别特异性特征。通过分析覆盖13种器官或组织中的239种细胞类型，研究团队识别了具有性别二态性（sex-dimorphic）的主要细胞类型，包括肾脏中的近曲小管细胞（proximal tubule cells）、肝脏中的肝细胞（hepatocytes），性腺旁脂肪组织中的脂肪组织成纤维祖细胞（adipose stem and progenitor cells）以及分布于多个器官的脂肪细胞（adipocytes）等。这些主要细胞类型在雄性和雌性小鼠中表现出显著不同的基因表达模式和功能特性。此外，本研究还发现了73种性别特异的细胞亚型，这些亚型的分布和功能调控进一步突显了性别对细胞特性的影响。研究团队的分析不仅实现了对性别特异性细胞群体的全面解析，还为未来基于性别特异的精准抗衰老治疗策略提供了关键数据支持。

衰老过程中分子与细胞动态变化展现出显著的非线性（non-linear）特性，这一动态过程贯穿生命的多个阶段并影响不同组织和器官的功能。研究团队利用差异丰度分析（differential abundance test），在多个组织和器官中鉴定出超过200种与衰老相关的细胞亚型和细胞状态，及其特异性的标记基因。并通过对不同时期细胞比例的层次聚类分析进一步在细胞水平上解码了衰老的非线性变化。在早期阶段（3至12个月），衰老主要表现为脂肪、肌肉等组织中关键细胞的减少，例如与代谢相关的细胞亚群逐渐耗竭，这种变化通常与器官功能自然衰退有关。而在晚期阶段（12至23个月），免疫细胞群体的显著扩增成为衰老的主导特征，这表明晚期衰老以系统性炎症为主。衰老过程中细胞动态的非线性特征反映了不同生命阶段细胞调控机制的差异性。在不同生命时期，衰老相关细胞群体来源于不同的细胞谱系和器官。这种复杂性强调了从细胞层面深入研究衰老的必要性，识别不同生命时期的关键调控点，从而制定更精准的抗衰老策略。

作者进一步聚焦免疫细胞，从多个器官中提取免疫细胞，系统性分析了其组织分布及在衰老过程中的动态变化。通过对超过三百万个免疫细胞的单细胞转录组数据进行聚类分析，研究鉴定了27种淋巴细胞（lymphoid cell）亚型和23种骨髓源性细胞（myeloid cell）亚型，并基于这些数据构建了跨器官的免疫细胞动态图谱。分析显示，衰老过程中T细胞亚型的动态变化尤为显著：CD4+初始T细胞（naïve T cells）在多个器官中显著减少，而扩增的细胞群体包括CD8+ Gzmk+ 细胞毒性T细胞（cytotoxic T cells）和γδ T细胞等亚型。在B细胞群体中，研究发现了两种具有独特分子特征的衰老相关B细胞亚型（aging-associated B cells, ABCs），分别为 Tbx21+ ABCs 和 Pstpip2+ ABCs。这两种亚型在多器官中均呈现扩增趋势，并且 Pstpip2+ ABCs 在雌性样本中扩增更为显著，表明性别可能通过特异性调控机制影响这一亚型的动态。此外，研究还观察到 IgM+ 浆细胞（plasma cells）在衰老过程中的显著性扩增，进一步证实了晚期衰老中发生的非特异性慢性炎症。尽管这些衰老相关B细胞和浆细胞来源于不同的器官和组织，它们都表达了 Sox5 和 Cdk14，提示它们可能通过相似的调控机制被协同调控。这些发现全面揭示了免疫细胞在衰老中的复杂动态变化，以及其潜在的系统性炎症驱动机制，为理解免疫系统老化提供了重要线索。

为了深入研究淋巴细胞对衰老过程中细胞群体动态变化的影响，研究团队创新性地提出了“细胞敲落”（cell-knockdown）概念，这一策略灵感来源于功能基因组学中的“基因敲落”（gene knockdown），通过特定基因的沉默来解析基因之间的调控网络。在本研究中，作者通过免疫缺陷小鼠模型（如 Rag1和 Prkdc 敲除小鼠），实现了对成熟淋巴细胞的系统性敲落，从而解析了这些免疫细胞对其他细胞群体在衰老过程中的影响。通过分析衰老相关的细胞亚型在野生型和免疫缺陷模型中的动态变化，研究发现不同衰老相关细胞群体的变化模式可以分为淋巴细胞依赖性和独立性两类。在独立于淋巴细胞的变化模式中，研究鉴定出15种呈现衰老相关减少的细胞亚型和33种扩增的亚型。例如，肾脏中的 Tspan18+ 主细胞（principal cells）随着衰老显著减少，这些细胞富含钙稳态相关基因（如 Cacnb4 和 Atp2b2），提示它们可能易受钙诱导的细胞压力影响，从而导致老化相关的耗竭。相反，一些衰老相关的细胞亚型呈现出强烈的淋巴细胞驱动特征，例如肺部 Colq+ 间质巨噬细胞（interstitial macrophages）的扩增在免疫缺陷小鼠中受阻，这一亚型特异性表达 Cxcl13 和 Cxcl10 等基因，进一步表明其扩增依赖于淋巴细胞驱动。这些发现揭示了淋巴细胞在调控多种细胞群体动态中的关键作用，同时也表明细胞敲落策略是一种有效的手段，用于解析不同细胞间复杂的相互作用机制。

本研究通过高通量、多器官数据采集，构建了迄今为止规模最大的哺乳动物衰老全景细胞图谱。这个包含多个生物学重复和性别均衡采样的数据集，为跨器官多维度的细胞动态变化研究奠定了基础，同时也为大规模人工智能模型的训练提供了宝贵资源。此外，研究基于EasySci开发的单细胞分析平台为跨器官细胞生物学研究提供了高效、灵活、低成本的工具。与此同时，作者提出的“细胞敲落”策略，将功能基因组学的理念延展至功能细胞组学（functional cell-omics），通过构建特定细胞群的缺失，系统性解析和验证细胞间调控网络。这一策略不仅为衰老相关研究提供了全新的实验框架，也为其他复杂病理过程中关键细胞调控因子的研究带来了新的可能性。未来，结合这一高通量数据平台与功能细胞组学方法，或将加速细胞水平精准医学的发展，为理解衰老及相关疾病的分子机制、制定个性化治疗策略提供有力的技术支持和理论基础。

曹俊越课题组最近招收一名博士后。课题组研究方向是单细胞测序技术的研发和应用。课题组近年来在Science, Nature, Cell, Nature Biotech 期刊发表多篇论文。欢迎具有遗传学，生化，细胞，分子生物学等相关专业背景加盟。洛克菲勒大学是一所世界著名的生物医学教育研究中心，拥有24位科学家获得诺贝尔奖，坐落于纽约市曼哈顿上东区。申请者请投递简历及推荐人信息。

简历投递（有意者请将个人简历等材料发至）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或扫描二维码投递简历