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。
