单细胞水平揭示跨组织的衰老依赖性再生衰退

学术 2024-08-13 16:30 上海

撰文│吴国秀何志颖

编辑│毕紫娟

审校│汤红明

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【据《Cell Stem Cell》2023年10月报道】题：单细胞水平揭示跨组织的衰老依赖性再生衰退（中国科学院动物研究所作者蔡雨生等）（原文链接.pdf）

衰老是由内、外因素共同作用，出现的组织再生能力下降的一种生物学过程，表现为组织损伤、稳态受损及干细胞功能障碍。前期研究报道了衰老相关的变化机制。然而，这些研究主要集中在单个组织上，缺乏对损伤后多个组织的系统性比较。因此，中国衰老标志物研究联合体（aging biomarker consortium，ABC）的多个课题组在年轻和年老小鼠中创建了8种组织器官损伤后再生修复模型，并建立了一个跨组织的再生相关单细胞图谱，阐明衰老导致多个组织的再生能力下降，系统比较并揭示了这种与年龄相关的血管生成和组织再生能力减弱的分子机制，包括血管生成受阻、干细胞活性降低和Arg1⁺巨噬细胞激活障碍。这项研究提供了一个全面的单细胞资源，揭示老年人群潜在的组织再生和修复的干预靶点。

在这项工作中，研究人员利用小鼠作为模式动物，选用8种具有不同再生能力的代表性组织，即肝脏、肌肉、皮肤、血管、小肠、肺、骨髓和心脏，分年轻（2月龄）和年老（22月龄）两组，构建组织损伤后再生修复模型以研究不同组织与年龄相关的再生能力的变化。通过不同手段诱导不同组织损伤，包括肝脏部分切除损伤、骨骼肌冷冻损伤、皮肤缺损损伤、后肢缺血损伤、小肠辐照损伤、肺脏化学损伤、骨髓辐照损伤及心肌缺血损伤。经过一系列行为学和组织学检测，研究人员发现，大多数年轻组织损伤后恢复良好，而大多数年老组织损伤后再生能力急剧下降，表征出多个组织在衰老后再生能力受损的特征。其中，心肌再生能力有限，在年轻或年老时都没有表现出明显的功能恢复。

为进一步解析不同组织损伤和再生的动态细胞和分子变化，研究人员对年轻和年老小鼠的肝脏、皮肤、血管、小肠、肺和骨髓进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq），对骨骼肌和心脏进行了单细胞核RNA测序（snRNAseq）。每个组织根据自身再生能力分4个时间点取样，分别代表未损伤阶段，以及再生的起始、进展和消退阶段。为此，研究人员绘制了跨年龄和组织的损伤修复动态时序单细胞转录谱，并建立了三套分析模式来比较年轻和年老组织对于损伤的响应机制，包括损伤后的即刻反应，损伤后不同阶段的转录组差异及再生全过程的基因表达动态变化。研究发现年老组织中氧化应激和炎症反应加剧、细胞凋亡增加、血管再生能力降低，这些是导致年老组织再生能力衰退的重要因素。

接下来，研究人员对不同组织共同存在的细胞类型，包括免疫细胞、内皮细胞及成体组织干细胞进行比较分析。结果显示，再生过程中年轻的免疫细胞和内皮细胞促进伤口愈合和血管生成相关基因表达水平更高，提示它们可能是使年轻小鼠具备更强损伤修复活性和组织再生能力的关键细胞类型。此外，年轻和年老的组织损伤后激活的干细胞亚群不同，主要存在于年老组织中的干细胞亚群低表达发育、分化相关基因，同时高表达细胞凋亡、衰老相关基因，说明年老组织中的干细胞活性降低，分化和再生能力减弱。

最后，研究人员发现一群高表达Arg1的巨噬细胞（Arg1⁺巨噬细胞），这群细胞在年轻组织受损后出现激增，但在年老组织中的激活却被显著抑制。Arg1⁺巨噬细胞表现出明显的组织重塑特性，内皮细胞增殖、血管内皮生长因子、伤口愈合和血管生成调节相关基因均增加。通过配受体分析，研究人员发现这群细胞可能通过与皮肤、肺和血管组织中的内皮细胞相互作用，促进血管新生。这表明年老组织中Arg1⁺巨噬细胞应对组织损伤的响应能力和及时组织重塑和修复能力都减损。

综上，这项研究通过系统性分析解码了不同组织再生过程中的动态变化规律，阐明了衰老导致组织再生能力减弱的细胞和分子机制，建立了再生与衰老的新联系。同时，研究还发现了一类新型的Arg1⁺巨噬细胞亚群，可能通过促进血管生成参与组织损伤后的重塑和修复，为干预衰老相关再生障碍提供了新思路。这些发现为未来实现组织器官修复、预防和治疗衰老相关疾病提供了重要理论基础。