為了對衰老的理解與研究，科學家對2100萬細胞進行開創(chuàng)性的研究

衰老發(fā)生在不同階段，這些階段通過器官間同步的細胞變化來表現(xiàn)，正如洛克菲勒有史以來最大的哺乳動物衰老圖譜所示。他們的發(fā)現(xiàn)為針對衰老過程提供了線索，揭示了細胞動態(tài)中關鍵的年齡和性別差異。

當我們比較七月和十二月拍攝的楓樹照片，發(fā)現(xiàn)差異會非常明顯：夏天是鮮艷的綠色樹冠，而冬天則是光禿禿的、干枯的枝條。這些照片無法揭示轉變是如何展開的——是漸進的還是突然的。落葉樹是否跟隨環(huán)境信號，比如光線或溫度的變化，然后在一到兩周內落下所有葉子。這些現(xiàn)象好比我們的衰老過程。

世界頂尖的生物醫(yī)學教育研究中心、美國洛克菲勒大學（The Rockefeller University）單細胞基因組學與群體動力學實驗室的開創(chuàng)性研究顯示，衰老在細胞層面也呈現(xiàn)出類似的軌跡。在最近發(fā)表在《科學》雜志上的一項研究中，實驗室負責人曹俊月(Junyue Cao-音譯)及其團隊利用單細胞測序分析了來自小鼠五個不同生命階段所有主要器官的超過2100萬個細胞。這項前所未有的努力產出了全球最大的細胞圖譜，匯編成單一研究資料庫。

他們的研究結果顯示，某些細胞群體在每個器官中都會以相同方式和時間發(fā)生變化，尤其是在生命的特定階段。這表明衰老不是線性過程，而是由特定分子線索引發(fā)的發(fā)育階段。

有些細胞數(shù)量大幅增加，而另一些則減少，經歷這些變化的細胞會根據(jù)年齡不同而有所不同。這些變化中有些由相同的分子特征控制，所以研究人員可以針對它們來延緩甚至重新編程衰老過程。

從定制技術到通用平臺

單細胞測序是曹所領導實驗室的專長，是一種遺傳分析方法，專注于單個細胞的遺傳表達和分子動力學，同時揭示每個被研究細胞的身份。他的團隊此前曾利用單細胞測序發(fā)現(xiàn)新的稀有腦細胞類型，并追蹤腦細胞的衰老等多種目的。

在腦部研究中，他們還發(fā)現(xiàn)了不同年齡段特有的細胞群體和細胞動態(tài)。

為此，他們采用了團隊開發(fā)并用于衰老腦研究的單細胞測序方法EasySci，將其細胞范圍擴展到涵蓋小鼠的所有主要器官——這是一項艱巨任務。

最具挑戰(zhàn)性的方面是優(yōu)化EasySci以跨多種哺乳動物器官運行，同時保持高質量數(shù)據(jù)。由于大多數(shù)之前的研究通常聚焦于特定器官，或為不同器官使用不同的方案，開發(fā)通用方案需要在不同器官上測試成千上萬種條件，才能開始真正的實驗。

在研究人員的努力下，EasySci現(xiàn)已成為一個統(tǒng)一的哺乳動物主要器官剖析平臺，能夠系統(tǒng)地剖析整個生物體的衰老和疾病機制。

在本次研究中，他們利用該數(shù)據(jù)揭示了從六百多個雄性和雌性小鼠樣本中提取的約2100萬個細胞的單核轉錄組譜，涵蓋了五個不同生命階段的老年。

臨界時間窗口

團隊發(fā)現(xiàn)了10多種主要細胞類型和200種細胞亞型，這些亞型持續(xù)經歷顯著的年齡相關枯竭或擴展。

例如，在成年早期（小鼠3到12個月大），脂肪、肌肉和上皮組織中的特定細胞亞型數(shù)量顯著下降，而在成年晚期（小鼠12到23個月）時，不同類型的免疫細胞數(shù)量激增。

有趣的是，許多變化與細胞的特定基因表達有關，無論基因表達在哪里。“我們在不同器官中識別出細胞亞型，它們可能具有不同的功能，”曹說。“但它們似乎受同樣的分子過程控制。”

專家們基本上已經確定了每個階段變化的細胞基礎，并記錄了它們不是隨著時間逐漸發(fā)生，而是在生命的特定階段發(fā)生的。他們已經確定了顯示不同細胞群體發(fā)生強烈變化的關鍵時間窗口，這為人們如何干預衰老過程提供了重要線索。

尤其是免疫細胞在晚年表現(xiàn)出數(shù)量激增。研究人員發(fā)現(xiàn)了許多不同的B細胞和T細胞亞型，這些亞型在不同器官中會被強擴增。這些細胞過多已知會導致炎癥性和自身免疫性疾病。事實上，當研究人員檢查兩只缺乏此類細胞的免疫缺陷小鼠時，他們發(fā)現(xiàn)B細胞和T細胞的耗竭逆轉了幾種與衰老相關的其他細胞類型的變化，凸顯了衰老過程中細胞調控網絡的作用。

他們還發(fā)現(xiàn)了極其小的新細胞類型簇，有些細胞數(shù)量甚至少達500個。它們在衰老中的作用尚待研究，但一些極為罕見的細胞類型已被證明能夠協(xié)調關鍵功能。以垂體細胞為例：這個極小的群體分泌對生長、生殖發(fā)育和器官功能至關重要的重要激素。

年齡與性別差異

出乎意料的是，他們還發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種雄性和雌性小鼠在每個器官中存在不同的細胞狀態(tài)。這些包括脂肪細胞前體細胞，它們在雄性和雌性之間表現(xiàn)出不同的分子狀態(tài)，以及雌性特異性與衰老相關的B細胞擴展。

綜合來看，這些年齡和性別差異可能有助于解釋為什么女性，尤其是年長女性，患自身免疫性疾病的風險高于男性。

這些研究還強調了在衰老和疾病研究中擁有性別平衡細胞樣本的重要性。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了將兩性納入其中以揭示普遍機制或開發(fā)針對性別的治療方法的重要性。

未來進一步研究的寶庫

該研究擁有2100萬細胞的數(shù)據(jù)集PanSci，是迄今為止最大的哺乳動物衰老單細胞測序圖譜，曹的實驗室已在基于該資源規(guī)劃多個未來項目。例如，他們計劃深入研究數(shù)百個顯示雄性與雌性小鼠之間顯著差異的細胞亞型，以及參與衰老過程的亞型，其中許多仍缺乏特征描述或研究。他們的發(fā)現(xiàn)有可能用來識別某些性別特異性疾病的細胞基礎。

研究團隊表示歡迎全球科學家利用PanSci進行個人研究。研究特定器官的研究人員可以提取器官特異性數(shù)據(jù)，而專注于免疫細胞或內皮細胞等特定細胞譜系的研究者則可以從不同器官提取相同類型的細胞。此外，由于數(shù)據(jù)集經過精心策劃和注釋，非常適合訓練大型機器學習模型，應用于年齡預測、發(fā)現(xiàn)稀有細胞類型以及構建用于計算機微擾研究的虛擬細胞。”