Nature|小鼠健康衰老的全脑细胞类型特异性转录组特征

2025年1月1日，西雅图艾伦脑科学研究所曾红葵院士和Bosiljka Tasic教授团队合作在Nature期刊上发表了题为“Brain-wide cell-type-specific transcriptomic signatures of healthy ageing in mice”的文章。该研究提供了一个全面的单细胞 RNA 测序数据集，其中包含来自年轻和老年雌雄小鼠的脑细胞的约120万个高质量单细胞转录组，这些脑细胞的区域涵盖前脑、中脑和后脑。对所有细胞进行高分辨率聚类可得到847个细胞簇，并揭示出至少 14 个主要为神经胶质类型的年龄偏向簇。在更广泛的细胞亚类和超类水平上，研究人员发现了与年龄相关的基因表达特征，并提供了2449个独特的差异表达基因的列表，涵盖许多神经元和非神经元细胞类型。研究表明，下丘脑的第三脑室可能是小鼠大脑衰老的中枢。总体而言，这项研究系统地描述了与正常衰老相关的大脑中细胞类型特异性转录组变化的动态情况，这为研究衰老的功能变化以及衰老与疾病的相互作用奠定了基础。

衰老是一个普遍而复杂的生物学过程，涉及机体各个系统的逐渐退化，细胞的增殖和修复能力下降，组织和器官的功能逐步减弱。衰老不仅是一个生理现象，也是多种疾病的主要风险因素，如心血管疾病、糖尿病和神经退行性疾病等。大脑作为人体最复杂和最关键的器官之一，也不可避免地受到衰老的影响。随着年龄的增长，大脑的结构和功能发生显著变化，最明显的表现是认知能力的下降，例如阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病等。研究大脑衰老相关的生物学机制有助于揭示认知衰退的根本原因，并为延缓衰老、改善认知功能提供潜在的干预方向。

研究人员使用单细胞RNA测序（scRNA-seq）对覆盖大脑主要部分且具有复杂细胞类型组成的许多大脑区域进行了分析，分析对象包括雌雄同体的年轻成年小鼠（2个月大）和老年小鼠（18个月大）。这些分析区域合计覆盖了小鼠整个大脑体积的约35%，是迄今为止发布的覆盖率最高的衰老小鼠大脑单细胞转录组数据集。该数据集包括经过质量控制 (QC) 后的约120万个单细胞转录组，使用Allen脑细胞-全鼠脑图谱 (ABC-WMB atlas) 3进行注释。这种方法让研究人员能够识别出172个独特的转录组亚类（进一步细分为434个超类型和 847个簇），并对其进行检测以确定与年龄相关的基因表达变化。研究人员还生成了空间转录组数据集，以确认特定感兴趣区域（ROI）中的这些细胞类型特异性变化。

该项研究发现了一些支持大脑衰老的既定特征的证据，同时确定了老年小鼠大脑中的特定细胞类型是这些特征的主要贡献者。这些表现包括：1）干细胞耗竭，表现为成体神经发生区域中未成熟神经元（IMN）和某些星形胶质细胞群的消耗；2）免疫反应和炎症增强，表现为随着年龄增长而富集的促炎性小胶质细胞簇，以及参与免疫反应、炎症和MHC抗原呈递的基因表达在各种非神经元和神经元类型中增加；3）神经元网络结构和活动恶化，表现为由于未成熟少突胶质细胞类型的消耗和成熟少突胶质细胞（MOL）中基因表达改变而观察到的新髓鞘形成减少，以及大量神经元和星形胶质细胞类型中参与神经元信号传导和结构完整性的基因表达减少；以及4）下丘脑第三脑室（V3）周围的细胞、室管膜细胞和神经元中观察到与神经元和免疫功能相关的基因表达改变，从而导致营养信号和能量稳态失调。

营养感知失调和能量稳态的逐渐丧失是衰老和长寿研究的主要领域。此外，热量限制和间歇性禁食已被证明可以延缓与衰老相关的结构和功能衰退，并延长几种动物的寿命。V3周围与年龄相关的基因表达变化最显著的细胞类型，包括伸长细胞、Agrp⁺神经元、Crh⁺神经元、Lepr⁺神经元和Glp1r⁺神经元，都在大脑整合来自身体其他部位的营养和激素信号的能力中发挥着独特的作用。

伸长细胞是脑内营养和性激素信号传导的关键整合体，具有成人神经源性和胶质生成潜能，可能对饮食变化作出反应。AgRP神经元是黑皮质素AgRP/POMC神经元信号网络的一部分，可控制摄食行为和饱腹反应。CRH神经元和AgRP神经元是下丘脑-垂体-肾上腺轴中的关键神经元，下丘脑-垂体-肾上腺轴是脑内的神经内分泌信号网络，可控制应激反应，并可能随着衰老而失调，并导致与年龄相关的虚弱、心理适应力丧失和情绪调节能力下降。DMH中的LepR 神经元对循环中的瘦素作出反应，瘦素是一种主要在脂肪组织中合成的关键激素，可调节饱腹反应。这些神经元还调节小鼠的昼夜摄食行为。GLP1R神经元与GLP1结合，GLP1是另一种控制饱腹感的肽，基于索马鲁肽的糖尿病药物就是模仿这种肽的，这种药物已证明可通过抑制食欲有效治疗肥胖症。

在研究的数据集中，V3周围的Lepr⁺/Glp1r⁺神经元以及Avp⁺/Oxt⁺神经元是唯随着年龄增长而MHC抗原呈递活性增加的神经元类型，这些途径主要与免疫细胞相关。其他非免疫非神经元细胞（包括伸长细胞和室管膜细胞）的MHC活性也有所增加。结合最近强调GLP1抗炎特性的研究，研究的结果表明，炎症和饱腹感之间可能存在有意义且具有治疗作用的相互作用，从而导致与衰老相关的大脑适应不良表型。

在整个大脑的许多神经元和非神经元细胞类型中，随着年龄的增长，发现了各种强烈且高度显著的基因表达变化，证明了单细胞方法在揭示控制衰老等复杂系统表型的机制方面的强大和必要性。需要进行大量的实验验证，以将这些基因表达变化与衰老过程中动物大脑的生理和功能变化联系起来。这项工作的结果和见解将成为神经科学和衰老研究界的基础资源，以促进对大脑和身体中与年龄相关的表型以及衰老与各种疾病之间相互作用的详细研究。