Nature：研究揭示人脑衰老的单细胞转录组和基因组变化特征

摘要：随着时间的推移，大脑和身体中的细胞会累积损伤，这会促进衰老过程。在人脑中，前额叶皮层会发生与年龄相关的变化，这些变化可能影响晚年的认知功能。近日，马萨诸塞大学Michael A. Lodato在Nature发表相关研究论文。在此，作者通过单细胞核RNA测序、单

随着时间的推移，大脑和身体中的细胞会累积损伤，这会促进衰老过程。在人脑中，前额叶皮层会发生与年龄相关的变化，这些变化可能影响晚年的认知功能。近日，马萨诸塞大学Michael A. Lodato在Nature发表相关研究论文。在此，作者通过单细胞核RNA测序、单细胞全基因组测序和空间转录组学技术研究了从婴儿期到百岁老人整个生命周期中人前额叶皮层的基因表达和基因组变化。单细胞核RNA测序识别出富集表达神经发育相关基因的婴儿特异性细胞簇以及一种跨细胞类型的、与年龄相关的共同下调现象，即参与核糖体、物质运输和代谢等基本细胞稳态功能的基因表达下调。相反，神经元特异性基因的表达在整个生命过程中通常保持稳定。这些发现通过空间转录组学得到了验证。单细胞全基因组测序鉴定出两种与年龄相关的突变特征，分别与基因转录和基因抑制相关且与衰老人脑的转录组图谱相关。作者的研究结果揭示了人脑发育和衰老过程中的关键方面，为转录组和基因组动态变化提供了新的见解。

图1 人类前额叶皮层中基于液滴的单细胞核RNA测序研究设计与特征分析

衰老相关的批量RNA测序研究揭示了转录、翻译和生长因子信号等基本细胞过程的紊乱，尤其在线粒体功能、神经元活动和DNA损伤相关通路中表现显著。然而，批量分析掩盖了细胞类型特异性变化，导致对人脑衰老过程中不同细胞功能演变的理解存在空白。单细胞基因组学技术的发展为此提供了突破口。单细胞RNA测序和单细胞核RNA测序已用于解析人脑中与年龄相关的转录变化，而单细胞全基因组测序则揭示了体细胞突变在神经元中的累积，可能参与转录失调及老年功能衰退。为系统解析健康人脑衰老的分子动态，研究对19名年龄跨度从婴儿到百岁老人的神经发育正常捐赠者的前额叶皮层组织，进行了基于液滴的snRNA-seq和scWGS分析。为验证snRNA-seq结果，部分样本还采用了多重错误稳健的荧光原位杂交进行空间转录组学验证。经质控后共保留367,317个细胞核，通过降维与聚类识别出31个细胞簇。参考已发表的人脑数据集，这些簇被注释为兴奋性神经元（来自不同皮层）、四种抑制性神经元亚型以及小胶质细胞、少突胶质细胞、少突胶质前体细胞、星形胶质细胞和内皮细胞。各细胞簇均表现出特异性的标志基因表达。进一步分析还识别出多个相似但独立的细胞亚类。总体上，兴奋性神经元平均表达的基因数量超过胶质细胞和内皮细胞两倍以上。

图2 人脑细胞转录状态在生命周期中的变化

研究未发现神经元与胶质细胞、或兴奋性与抑制性神经元的比例在衰老过程中发生显著变化，也未观察到非病理性衰老中特定神经元亚型的丢失，或老年大脑中小胶质细胞的反应性扩增。然而，识别出若干几乎仅存在于婴儿期的神经元和星形胶质细胞亚簇。婴儿特异性神经元簇（L2/3-2）具有L2/3层特征，但混有表达L4或L5/6层标志物的细胞并高表达发育相关基因（如SLIT3、ROBO1），提示其为未成熟兴奋性神经元。MERFISH验证显示这些细胞基本保持正常层状定位。婴儿特异性星形胶质细胞则表达HES5、ID4、MFGE8等未成熟标志基因，该模式在独立数据集中得到验证。少突胶质前体细胞丰度随年龄递减，而成熟少突胶质细胞增加，提示其在生命周期中持续分化但补充不足，可能削弱老年人新髓鞘形成能力。尽管整体细胞比例稳定，SST抑制性神经元在老年人中表现出显著升高的转录组变异性且SST和VIP基因在各自神经元中的表达随年龄下降。尽管未检测到数量减少，这些变化提示抑制性神经元功能在衰老中受损，支持其在脑老化中关键作用。

图3 衰老过程中的基因下调与基因大小、表达水平、基因类型和单核苷酸体细胞突变负荷相关

体细胞突变源于DNA损伤，以往认为长基因因更易遭受阻碍转录的损伤而在衰老中被下调。然而，本研究发现人脑神经元的衰老模式与此相反：在老年神经元中，基因长度与表达变化呈正相关即长基因更倾向于维持或上调表达，而短基因（尤其是短管家基因）显著下调，该现象在兴奋性和抑制性神经元中尤为明显，胶质细胞中较弱。多重线性回归与基因本体分析一致表明，高表达基因也倾向于下调，但基因长度效应更强。这一模式与小鼠脑组织和视网膜神经元研究一致，提示神经元中长基因受到保护。神经元高表达拓扑异构酶TOP1/TOP2B及其互作蛋白（PARP1、TDP1、BTBD1）可能通过缓解长基因转录过程中的DNA扭转应力，保护长基因表达。进一步分析显示，在管家基因中，基因越长，体细胞突变率越低，表达在衰老中也越稳定；而在神经元特异性基因中，基因长度与突变率及表达变化均无显著关联。MERFISH实验验证，老年样本中短管家基因表达显著下降，而长管家基因及各类神经元特异性基因表达稳定。衰老大脑中转录变化受基因长度、功能类别和体细胞突变模式共同调控，神经元通过特异性机制保护长基因表达，揭示了脑衰老独特的分子特征。

总结

该研究通过整合单细胞转录组与基因组数据，揭示了健康人脑衰老过程中细胞类型特异性的分子变化，突破了传统批量分析的局限。随着单细胞全基因组测序技术的应用扩展到大脑中的其他细胞类型，将有可能进一步阐明体细胞突变与衰老过程中基因表达之间的关系。