隨著身體年齡的增長(zhǎng),器官功能逐漸下降瘪阁,患各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加撒遣,包括心血管疾病、癌癥和神經(jīng)退行性疾病管跺。了解身體如何衰老是一個(gè)很火的研究領(lǐng)域愉舔,因?yàn)樗鼘⒂锌赡荜U明促進(jìn)健康衰老(healthy aging)的方法。
今天分享另外一篇關(guān)于衰老的伙菜,做的是果蠅轩缤。自美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院、斯坦福大學(xué)贩绕、陳-扎克伯格生物中心和基因泰克公司(Genentech)等研究機(jī)構(gòu)的人構(gòu)建了一個(gè)衰老果蠅單細(xì)胞圖譜(Aging Fly Cell Atlas, AFCA)火的,對(duì)果蠅中163種不同細(xì)胞類型衰老過(guò)程的進(jìn)行了詳細(xì)的探索。發(fā)表在Science上淑倾,論文題目是“Aging Fly Cell Atlas identifies exhaustive aging features at cellular resolution ”馏鹤。
這個(gè)文章中,作者使用果蠅作為模型生物娇哆,并采用單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)(圖1A)湃累。他們選擇了不同年齡段的果蠅勃救,分別取樣果蠅的頭和身體,時(shí)間段選取幼齡的果蠅(5天)治力,年輕的果蠅(30天)蒙秒、中年果蠅(50天)和老年果蠅(70天)。雌和雄果蠅分別取樣(圖1B)宵统。圖1B就是每個(gè)時(shí)間點(diǎn)樣品獲取的細(xì)胞的數(shù)目晕讲,5天時(shí)候最多。
然后马澈,作者將果蠅單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行整合瓢省,并進(jìn)行聚類分析。從不同時(shí)間點(diǎn)的對(duì)比可以看出痊班,細(xì)胞類型的分布基本是相同的(圖1C)勤婚。所有數(shù)據(jù)合并以后,作者共獲得了868,000個(gè)細(xì)胞涤伐,可以分成17個(gè)不同的大細(xì)胞類型(圖1D)馒胆,每種細(xì)胞類型的數(shù)目如圖1E所示。
作者認(rèn)為細(xì)胞類型注釋的正確與否是后面分析的關(guān)鍵废亭。所以先用已經(jīng)發(fā)表的FCA,也就是前面講的果蠅全組織圖譜來(lái)驗(yàn)證一下衰老圖譜注釋的準(zhǔn)確性具钥。經(jīng)過(guò)對(duì)比豆村,發(fā)現(xiàn)兩種方法的overlap率可以達(dá)到80%以上(圖2A)。接著作者有用鑒定的marker基因驗(yàn)證了注釋的準(zhǔn)確性骂删≌贫總的來(lái)說(shuō),作者得到了163個(gè)不同的細(xì)胞類型宁玫,91個(gè)來(lái)自頭粗恢,72個(gè)來(lái)自身體(圖2B)。
對(duì)于一些比較復(fù)雜的組織欧瘪,例如大腦眷射,當(dāng)測(cè)序的細(xì)胞越多的時(shí)候,就可能會(huì)出現(xiàn)一些新的細(xì)胞類型佛掖。比如神經(jīng)元細(xì)胞妖碉,當(dāng)合并年輕的和年老的果蠅的頭部數(shù)據(jù)之后,17個(gè)新的子細(xì)胞類型就被鑒定出來(lái)(圖2C)芥被。
下面作者就去探索利用AFCA圖譜能否發(fā)現(xiàn)一些隨著衰老的特異細(xì)胞類型欧宜。作者拿腸道細(xì)胞做了一個(gè)例子說(shuō)明,因?yàn)樗锩娴捏w細(xì)胞干細(xì)胞譜系的衰老變化已經(jīng)得到了很多的研究拴魄。在健康的年輕蒼蠅腸道中冗茸,腸道干細(xì)胞通過(guò)適當(dāng)?shù)脑鲋尘S持腸道穩(wěn)態(tài)以及分化席镀。在年老蒼蠅中,ISC表現(xiàn)出高增殖率夏漱,ISC的子細(xì)胞(EB cell)不能正確分化成為成熟的腸細(xì)胞豪诲,導(dǎo)致發(fā)育不良表型。所以作者把6種不同類型的腸道細(xì)胞單獨(dú)拿出來(lái)做了軌跡分析(圖2D)麻蹋。隨著分化時(shí)間跛溉,ISC和EB明顯增加,并且成熟腸細(xì)胞顯著減少扮授。
然后作者查看了隨著衰老的進(jìn)程芳室,細(xì)胞類型的構(gòu)成上面有沒(méi)有什么明顯的變化。作者分別把30d刹勃,50d堪侯,70d的細(xì)胞數(shù)目和5d的進(jìn)行比較。增加最多的五種細(xì)胞類型是賁門(mén)細(xì)胞(來(lái)自腸道的前胃)荔仁、脂肪體細(xì)胞伍宦,雄性副腺主細(xì)胞、EB和成體唾液腺細(xì)胞(圖2E)乏梁。前胃增大細(xì)胞次洼、雄性副腺主細(xì)胞和EB細(xì)胞和衰老相關(guān),之前的研究已有報(bào)告遇骑,從而確認(rèn)文章的數(shù)據(jù)卖毁。但是脂肪體細(xì)胞還沒(méi)有類似的報(bào)道。作者接著驗(yàn)證了這個(gè)現(xiàn)象(圖2F)落萎,證明了隨著年齡的增長(zhǎng)亥啦,脂肪體細(xì)胞的增多。然后作者發(fā)現(xiàn)练链,隨著衰老的進(jìn)程翔脱,出現(xiàn)多個(gè)細(xì)胞核的脂肪體細(xì)胞明顯增多(圖2G,2H)媒鼓。在減少最多的五種細(xì)胞類型中届吁,有三種類型的肌肉細(xì)胞——間接飛行肌內(nèi)臟肌和其他肌肉細(xì)胞(主要是骨骼肌)(圖2E)绿鸣。肌肉力量的喪失瓷产,即肌肉減少癥,是包括人類在內(nèi)的不同哺乳動(dòng)物的一種保守的衰老表型枚驻。作者通過(guò)體內(nèi)染色數(shù)據(jù)也證實(shí)了與年齡相關(guān)的間接飛行肌的退化濒旦,以及老年蒼蠅中凋亡標(biāo)志物Caspase3的顯著增加(圖2I)。
接著再登,作者開(kāi)始鑒定隨著衰老的過(guò)程尔邓,調(diào)控的差異表達(dá)基因晾剖。還是30d,50d和70d分別和5d做對(duì)比(圖3A)梯嗽。為了橫向差異表達(dá)基因在衰老過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化齿尽,作者查看了變化的比率(圖3B),其中30d的時(shí)候變化最顯著灯节。一些細(xì)胞類型循头,如雄性附屬腺,在最后一個(gè)時(shí)間窗口顯示出最小的變化炎疆,表明這個(gè)細(xì)胞類型在50d左右達(dá)到其最大轉(zhuǎn)錄組變化卡骂。5.3%的細(xì)胞類型,包括腸道干細(xì)胞和賁門(mén)細(xì)胞形入,在最后一個(gè)時(shí)間窗口顯示出劇烈變化(>50%的DEG)全跨,這表明它們?cè)谇?0天的衰老速度較慢。其他細(xì)胞類型亿遂,如外部感光細(xì)胞和脂肪體細(xì)胞表現(xiàn)出穩(wěn)定的變化浓若。因此,該分析表明蛇数,不同的細(xì)胞類型以不同的衰老速率挪钓,表現(xiàn)出不同的基因表達(dá)變化模式(圖3C)。如果畫(huà)成細(xì)胞比例和DEG數(shù)目的相關(guān)圖的話(圖3D)耳舅,發(fā)現(xiàn)顯著影響的細(xì)胞類型有:adult fat, outer photoreceptor cell, indirect flight muscle等碌上。
然后,作者開(kāi)始對(duì)于上面挑出來(lái)的細(xì)胞類型做GO富集分析(圖3E和3F)挽放,用的是50d和5d對(duì)比的差異基因绍赛。然后發(fā)現(xiàn)來(lái)自身體和頭部的脂肪體細(xì)胞(成年大腦周?chē)玖浚┲猩险{(diào)的基因功能主要集中在蔓纠,如脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)和甘油三酯穩(wěn)態(tài)(圖3E)辑畦。對(duì)于間接飛行肌肉細(xì)胞,運(yùn)動(dòng)行為的退化很可能由肌肉退化引起(圖3F)腿倚。
然后作者探索嘗試纯出,能不能運(yùn)用這個(gè)單細(xì)胞圖譜,找出能表征衰老進(jìn)程的marker cell type敷燎,類似以前照marker基因一樣的道理暂筝。所以用各個(gè)細(xì)胞類型和衰老進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析,簡(jiǎn)單的理解的話硬贯,類似相關(guān)性焕襟,文中用的也是R2(圖4A)。其中頭部和身體的外部感光細(xì)胞和釀酒細(xì)胞分別顯示出最高的預(yù)測(cè)得分(圖4B和4C)饭豹。不同時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示30d的差異最大(圖D)鸵赖。然后作者還嘗試鑒定和衰老高度關(guān)聯(lián)的衰老基因务漩。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)衰老時(shí)鐘基因用于細(xì)胞類型特異性方式(圖4E)。并且94個(gè)RP基因中有70個(gè)被鑒定出來(lái)作為衰老時(shí)鐘基因它褪,說(shuō)明這類基因在衰老過(guò)程中的關(guān)鍵作用(圖4E-4G)饵骨。并且對(duì)比果蠅和老鼠已知的33個(gè)基因中,31個(gè)就是RP基因(圖4H)茫打。
通過(guò)上面的分析可以看出居触,不同的細(xì)胞類型對(duì)能夠表征不同的衰老特征。所以作者很好奇老赤,除了基因表達(dá)之外轮洋,單細(xì)胞數(shù)據(jù)的其它特征,包括表達(dá)的基因數(shù)量或reads數(shù)量(UMI)變化以及細(xì)胞特征的一致性等特征是否也與衰老有關(guān)系(圖5A)诗越。發(fā)現(xiàn)約80%的細(xì)胞類型表現(xiàn)出隨著衰老表達(dá)基因數(shù)量逐漸減少砖瞧,但20%的人表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),這表明衰老影響細(xì)胞中表達(dá)的基因數(shù)量嚷狞,并且是與細(xì)胞類型有關(guān)的块促。其中有詳細(xì)highlight了幾個(gè)細(xì)胞類型表達(dá)基因數(shù)目的變化特征(圖5C)。以往的報(bào)道表明床未,在衰老的過(guò)程中竭翠,細(xì)胞類型的特征會(huì)逐漸弱化,但是具體表現(xiàn)為什么特征還未知薇搁。在這個(gè)文中斋扰,作者用舊marker基因的減少/新marker基因的獲得來(lái)衡量這個(gè)特征。然后用這個(gè)score進(jìn)行排序(圖5D)啃洋。發(fā)現(xiàn)間接飛行肌肉的marker基因Nlg1传货,隨著年齡的增長(zhǎng)而急劇下降,而其他年輕標(biāo)記基因也是如此宏娄。還舉了Chchd2的例子问裕。
然后作者就用其它幾個(gè)特征,比如:DEG(差異基因的數(shù)目)孵坚,表達(dá)基因的數(shù)目粮宛,細(xì)胞的構(gòu)成,細(xì)胞特征的一致性等作為可選的變量來(lái)和衰老這一變量做關(guān)聯(lián)卖宠,發(fā)現(xiàn)DEG和細(xì)胞特征一致性相關(guān)性最好巍杈,也就是對(duì)衰老的解釋率最高(圖5E)。做成熱圖會(huì)發(fā)現(xiàn)扛伍,幾個(gè)特征之間的一致性也是較高的(圖5F)筷畦,都可以對(duì)衰老進(jìn)行解釋。