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細(xì)胞衰老是一個復(fù)雜的應(yīng)激反應(yīng)，影響細(xì)胞功能和機(jī)體健康。多種發(fā)育和環(huán)境因素，如輻射、氧化應(yīng)激、致癌基因和蛋白質(zhì)積累，激活基因和通路導(dǎo)致衰老。人們付出了巨大的努力來識別和描述壓力和疾病系統(tǒng)中的衰老基因。今天給大家分享的文獻(xiàn)是今年8月發(fā)表在《nature communications》（IF：17.694）上的一篇衰老相關(guān)的文章，作者開發(fā)了一個新的衰老基因集，一起來看看吧~
一個新的可識別衰老細(xì)胞并預(yù)測各組織中與衰老相關(guān)通路的基因集
背景
細(xì)胞衰老是指穩(wěn)定細(xì)胞周期停滯的狀態(tài)，是對內(nèi)源性和外源性應(yīng)激的反應(yīng)，包括DNA損傷、端粒功能障礙、癌基因激活和細(xì)胞器應(yīng)激，并與腫瘤抑制、組織修復(fù)、胚胎發(fā)生和器官衰老等過程有關(guān)。細(xì)胞衰老也可以是發(fā)生在包括胚胎發(fā)育在內(nèi)的多種生物過程中的一個受控程序。衰老細(xì)胞的外源性活動與衰老相關(guān)分泌表型（SASP）的激活廣泛相關(guān)，放大了細(xì)胞內(nèi)源性增殖停滯的影響，并導(dǎo)致組織再生受損、慢性衰老相關(guān)疾病和組織衰老。目前一共有8種細(xì)胞衰老表型：復(fù)制性細(xì)胞衰老、DNA損傷誘導(dǎo)細(xì)胞衰老、致癌基因誘導(dǎo)細(xì)胞衰老、氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞衰老、化療誘導(dǎo)細(xì)胞衰老、線粒體功能失調(diào)相關(guān)細(xì)胞衰老、表觀遺傳誘導(dǎo)細(xì)胞衰老和旁分泌細(xì)胞衰老。（詳見：一文帶你了解國自然下一熱點：細(xì)胞衰老（senescence））
數(shù)據(jù)組成
1.已發(fā)表數(shù)據(jù)：
（1）RNA-seq數(shù)據(jù)：GSE72815、GSE141595、GSE141595、GSE128770、GSE94832和GSE149590
（2）scRNA-seq數(shù)據(jù)：GSE120221、GSE128423
2.自測數(shù)據(jù)：
小鼠：GSE199493
人：PRJNA826433
研究思路
本研究首先生成了一個新的衰老相關(guān)的基因集 (SenMayo)，并在人的不同組織類型數(shù)據(jù)和小鼠不同腦組織數(shù)據(jù)中進(jìn)行驗證分析。然后在小鼠模型中證明SenMayo不僅與衰老有關(guān)，并且會在清除衰老細(xì)胞后降低。之后將SenMayo與其他已發(fā)表的基因集進(jìn)行比較，展示其優(yōu)越性。最后利用scRNA-seq數(shù)據(jù)驗證SenMayo在單細(xì)胞水平識別衰老細(xì)胞的能力，并通過RT-qPCR驗證所篩選出的關(guān)鍵分子Mif的表達(dá)變化情況。
結(jié)果
1. SenMayo的開發(fā)和驗證
為評估衰老和SASP相關(guān)途徑是否隨著人類衰老而富集，作者在兩個老年人隊列的RNA-seq數(shù)據(jù)中進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系分析。結(jié)果顯示，一些炎癥和壓力相關(guān)基因（如NFKB1、RELA 和 STAT3）在老年女性中上調(diào)（圖1a-b），衰老和 SASP標(biāo)志物（例如 CDKN1A/p21Cip1、CCL2 和 IL6）也在老年組中上調(diào)，（圖1c）。隨后，作者利用已發(fā)表的衰老/SASP基因集 (R-HSA-2559582) 在這兩個隊列中進(jìn)行GSEA分析，但均未發(fā)現(xiàn)年齡相關(guān)的衰老/SASP基因有顯著變化（圖1d）。
接下來，作者生成了一組新的與細(xì)胞衰老相關(guān)的基因集。這個基因集是通過結(jié)合已發(fā)表的研究報告中富集在衰老和/或SASP分泌細(xì)胞中的基因，并且在人類或小鼠細(xì)胞中已得到實驗驗證而產(chǎn)生的。作者共篩選了1656項研究，在去除報告重復(fù)的研究、病例報告和非人類或非鼠類的基因后，從剩余的15項研究中最后確定了一個由 125 個基因組成的新型衰老基因組(SenMayo)，這個基因集主要由SASP因子組成，同時也包括跨膜和細(xì)胞內(nèi)蛋白。結(jié)合STRING分析結(jié)果顯示，SenMayo 中細(xì)胞因子/趨化因子是連接最緊密的調(diào)節(jié)因子（圖1e-f）。此外，GSEA富集結(jié)果顯示，衰老/SASP基因在從老年女性的骨骼樣本中顯著富集（圖1g）。
2. SenMayo 適用于各種組織和物種
為評估 SenMayo在不同組織和物種中的適用性，作者接下來對來自年輕與老年小鼠腦組織的mRNA-seq數(shù)據(jù)（GSE14526533、GSE12877034、GSE9483235）進(jìn)行了分析。使用SenMayo基因集進(jìn)行GSEA分析的結(jié)果顯示，衰老小鼠腦細(xì)胞（小膠質(zhì)細(xì)胞）和前額葉皮層、背側(cè)海馬區(qū)域的衰老/SASP基因顯著富集，而先前發(fā)表的基因集（R-HSA-2559582）則無統(tǒng)計學(xué)意義（圖2a-d）。由此可知，SenMayo可更有效地識別與不同組織（骨/骨髓和大腦）以及物種（人類和小鼠）衰老相關(guān)的衰老細(xì)胞。
3. SenMayo可證明衰老細(xì)胞的清除
為獨(dú)立驗證所開發(fā)的基因集，作者進(jìn)一步在p16-INK-ATTAC小鼠模型數(shù)據(jù)中進(jìn)行相關(guān)分析。過往研究中，已經(jīng)證明Cdkn2a/p16Ink4a和Cdkn1a/p21Cip1 mRNA表達(dá)水平隨著小鼠骨骼的老化而增加，并且這些基因的mRNAs表達(dá)水平會在清除p16-INK-ATTAC小鼠的衰老細(xì)胞后減少，這與細(xì)胞衰老的其他標(biāo)志物（如骨細(xì)胞中的端粒DNA損傷標(biāo)志物）變化一致。圖3a-b結(jié)果顯示，SenMayo在老年小鼠骨骼中的表達(dá)水平顯著升高，并且在AP治療后的老年p16-INK-ATTAC 小鼠中顯著降低。此外，PCA結(jié)果顯示年輕組與AP治療后的年老組小鼠與年輕組與空載體處理后的年老組小鼠相比具有更高的重疊率（圖3c）。
上述部分是基于小鼠模型得出的結(jié)論，為進(jìn)一步證明結(jié)論的可靠性，作者又在人類隊列上加以驗證，所用樣本源于達(dá)沙替尼和槲皮素聯(lián)合治療前和治療后11天的糖尿病腎病患者（圖3d）。結(jié)果顯示，在達(dá)沙替尼和槲皮素治療后，患者皮下脂肪組織樣本中SenMayo顯著減少（圖3e）。綜上所述，SenMayo不僅與衰老有關(guān)，并且也會在清除衰老細(xì)胞后降低。
4. SenMayo 優(yōu)于現(xiàn)有的衰老/SASP基因集
除了將SenMayo與 R-HSA-2559582衰老/SASP 基因集進(jìn)行比較外，作者還在上述所有小鼠模型和人類疾病數(shù)據(jù)中將其與另外五個衰老/SASP基因組進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，SenMayo在識別不同組織和物種衰老細(xì)胞的能力以及對衰老細(xì)胞清除的反應(yīng)方面都優(yōu)于其他基因集（表1）。
5. SenMayo識別 scRNA-seq 數(shù)據(jù)集中的衰老細(xì)胞
盡管scRNA-Seq可展示單個細(xì)胞水平基因表達(dá)變化，但它在評估給定細(xì)胞中的細(xì)胞衰老方面一直存在缺陷。其中部分原因是 Cdkn2a/p16Ink4a mRNA的表達(dá)水平相對較低。為測試SenMayo是否可以在單細(xì)胞水平上識別衰老細(xì)胞，作者在單細(xì)胞水平上進(jìn)行GSEA分析，結(jié)果顯示SenMayo在CD14+、CD16+單核細(xì)胞群以及巨噬細(xì)胞群中的富集分?jǐn)?shù)最高（圖4a）。通過選擇衰老/SASP相關(guān)基因表達(dá)最高的前10%的細(xì)胞，作者生成了一個由6850個細(xì)胞組成的細(xì)胞簇（主要來自單核細(xì)胞），即“SASP 細(xì)胞”（圖4b）。 衰老的典型標(biāo)志物（如CDKN1A/p21Cip1和TGFB1）和已發(fā)表的人類和細(xì)胞衰老相關(guān)的基因集在這些SASP細(xì)胞中表達(dá)顯著增加（表2）。此外，SASP 細(xì)胞與GenAge和CellAge這兩個衰老基因集中的基因具有強(qiáng)相關(guān)性（圖4b）。
細(xì)胞通訊結(jié)果顯示，SASP細(xì)胞與T細(xì)胞之間的相互作用最強(qiáng)，其次是單核細(xì)胞和B細(xì)胞（圖 4c）。所涉及的通路中，主要組織相容性復(fù)合體I類（MHC-I）、巨噬細(xì)胞遷移抑制因子（MIF）和血小板和內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子1（PECAM1、CD31）等通路最為顯著（圖4d-e）。進(jìn)一步的分析顯示，SASP細(xì)胞的特點是以獨(dú)特的共表達(dá)模式預(yù)測功能集群（如JUN和CDKN2A），并且在SASP細(xì)胞群中JUN 和 CDKN2A/p16Ink4a 表達(dá)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，作者推測這可能可以克服特定衰老相關(guān)基因（如CDKN2A/P16ink4A）低表達(dá)所造成的局限性（圖4f-h）。綜上，上述分析證明了 SenMayo 基因集在人類骨髓 scRNA-seq 數(shù)據(jù)集中識別衰老細(xì)胞的有效性，并確定單核細(xì)胞是SASP相關(guān)細(xì)胞比例最高的造血細(xì)胞群。。
研究表明， SASP細(xì)胞也會影響周圍的細(xì)胞。為探索這些細(xì)胞間相互作用，作者在包含來自骨髓和骨髓間充質(zhì)細(xì)胞的scRNA-seq數(shù)據(jù)集中進(jìn)行分析（圖 5a）。結(jié)果顯示，SenMayo高度富集的細(xì)胞（“SASP 細(xì)胞”），同樣顯著表達(dá)GenAge 和 CellAge（圖 5b）。細(xì)胞通訊結(jié)果顯示，鼠間充質(zhì)SASP 細(xì)胞與骨系和軟骨細(xì)胞顯著相互作用（圖 5c），MIF和PECAM1 通路被顯著富集（圖 5d）。擬時間分析顯示，SASP細(xì)胞群主要有三個起源，即Lepr+MSCs、OLC 1和OLC 2，并在終端分支中最豐富，與Cdkn1a/p21Cip1和Trp53表達(dá)變化趨勢相吻合（圖5e）。
6.實驗驗證
基于上述分析，作者認(rèn)為Mif 是一個關(guān)鍵的SASP基因，推測它應(yīng)該會隨著衰老細(xì)胞負(fù)荷增加而在衰老細(xì)胞清除后減少。RT-qPCR結(jié)果顯示，與年輕小鼠相比，老年小鼠骨骼中的Mif mRNA水平增加（圖 6a）并且在老年INK-ATTAC小鼠中具有AP的衰老細(xì)胞的遺傳清除后顯著降低（圖6b）。
小結(jié)
本研究開發(fā)了一個新的衰老相關(guān)的基因集，并在不同物種和不同組織類型數(shù)據(jù)中加以驗證。與以往的基因集相比，SenMayo基因集更具優(yōu)勢，并且可以在單細(xì)胞水平有效識別衰老細(xì)胞。
最后，我們一起來看看目前的一些衰老研究思路吧~
衰老相關(guān)研究思路
思路一：衰老與非腫瘤疾病（詳見：疾病頂刊收錄相關(guān)文章，細(xì)胞衰老熱度勢不可擋）
摘要：該研究旨在探討成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞（FLS）及其衰老在骨關(guān)節(jié)炎（OA）進(jìn)展中的作用和調(diào)節(jié)機(jī)制。在患者和小鼠模型中，隨著OA的進(jìn)展，衰老的FLSs顯著增加。作者確定OA-FLS中發(fā)生自噬受損，導(dǎo)致衰老相關(guān)分泌表型（SASP）上調(diào)，自噬的重建通過抑制GATA4逆轉(zhuǎn)衰老表型。此外，作者首次觀察到過度m6A修飾對OA-FLS中的自噬產(chǎn)生負(fù)調(diào)控。該研究揭示了FLS衰老在OA進(jìn)展中的重要作用。在實驗動物模型中，靶向METTL3抑制可以緩解FLS的衰老，限制OA的發(fā)展，為OA治療提供了一種潛在的策略。
思路二：衰老與腫瘤（詳見：細(xì)胞衰老研究如何切入？PNAS最新研究給你答案）
摘要：作者利用體細(xì)胞組織工程開發(fā)了一種快速靈活的免疫功能小鼠模型，并且分析結(jié)果揭示了對常規(guī)化療和免疫檢查點封鎖的決定因素的機(jī)制的見解。結(jié)果識別了一種基因型依賴的治療誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老程序，該程序介導(dǎo)了一線化療的敏感性和耐藥性，指出利用衰老程序?qū)γ庖邫z查點封鎖敏感的策略。
思路三：衰老相關(guān)landscape研究（詳見：跟某大佬哈了半天酒，得到的熱點：細(xì)胞衰老）
摘要：文章所使用的數(shù)據(jù)包括GTEx 50個正常組織的RNA-seq數(shù)據(jù)；大腦、睪丸和胰腺單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)；包含6個組織的空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。方法核心思想是共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，而使用到的具體方法是MEGENA，以研究SnGs共表達(dá)特征及其細(xì)胞類型特異性。
參考文獻(xiàn)
