当被问到“衰老是什么样子”,你会回答什么?皱纹、白发、褪色的容颜?虚弱、蹒跚、佝偻的体态?或者说你是一位对衰老有深入研究的专业人士,你的答案是基因突变、功能障碍、生理紊乱?
不,不够,这些都还只是模糊的概括,或是从某一点出发的“管窥蠡测”,相当于在衰老这片“森林”里只看到了绿色或一棵单一的树,想要攻破整个衰老,还得有更全面的视野才行!
最近,中科院高产选手刘光慧教授组同华大基因顾颖团队在生物学顶刊Cell上联合发文,以数十亿基因的海量数据将衰老从“绿”细化到“每片叶子的纹路”,并开创性地从全局角度找到了全身性衰老关键之一[1]。
一开始本文的研究者们就奔着最全面、最广泛去的,于是他们从年轻和年老小鼠身上精心选择了9个关键组织展开“普查”:海马、脊髓、心脏、肺、肝脏、小肠、脾脏、淋巴结和睾丸。
图注:被选取的9个器官/组织都是小鼠核心组分
这些核心器官的衰老模式是怎样的?又是哪一个器官最先感染上了衰老?
No.1
前奏——组织样本细胞分析
初步的组织样本细胞分析并没能得出足够细致的结论,但研究者们找到了一些这些器官在衰老过程中存在的共性:CD45阳性免疫细胞增多、CD31阳性内皮细胞减少,前者与慢性炎症关联,而后者指向血管神经等功能支持组织丧失。
图注:老年小鼠各器官存在相似程度的衰老,单从“衰老指标”很难找出差异
此外,就是各组织的特异性衰老表现,如海马和脊髓中的小胶质细胞增多、心脏和肠道的纤维化水平升高等。
No.2
正篇——多点深入基因检测
看不出明显规律那就进一步深入,从9(器官数)到103(组织样本数)到2,226,026,950(基因检测总数),研究者们终于把原先“360p”的衰老带入“8K”时代。
图注:经过研究者的海量分析检测,“衰老分辨率”有了质的飞跃
海量的样本投喂也会带来海量的数据,为了方便理解,本文的研究者们引入了一个名为“组织结构熵(OSE)”的概念。
众所周知,“熵”这一源自正统自然科学但表现出靠近人文科学气质的概念,代表的其实是一个相当玄学的含义——混乱度,有科学家曾因发出了“万事万物都终走向熵增”的哲学之语被广泛质疑,但在本项研究中对“衰老”这一限定范围而言,这句话的确没错。
所有组织的OSE值都会因为年龄的增加而增加,其中海马、脾脏、淋巴结和肝脏的变化更明显,表现为结构的破坏和原先固定于某一组织范围的特定细胞的扩散;
图注:研究者提供了一个很好理解的OSE模型,并发现OSE在不同器官中随年龄增长而增长
与因细胞“离家出走”造成的组织结构紊乱同时出现的,还有组织内细胞身份的丢失,比如在肝脏中,就存在维持正常肝功能的肝细胞随衰老的进程不断“堕落”成脂肪细胞的现象。身份的丢失和细胞扩散一样,都是推动其所在组织器官功能丧失的源源动力之一。
No.3
华彩——SSSs“衰老据点”确定
在精确的OSE数据基础上,研究者们才得以揭开一直以来蒙在衰老之上、名为“总体”的面纱,找到这些组织的真实衰老模式:
即使是在同一器官组织内,不同类型细胞的衰老速度也是不一样的,再加上器官原有的秩序和结构性,就导致了“重点高度衰老位置”的出现,研究者们综合基因情况将衰老得分前5%的区域单独划出,命名为SSS。
图注:SSS衰老据点的挑选方法和标准
研究者们证明,作为深植器官组织的衰老病灶,SSS发挥着惊人的“据点”作用:
衰老分数、OSE分值和细胞身份丢失程度都在SSS点达到顶峰,然后随着与SSS点距离的增大而降低;
在SSS中,体液免疫反应和补体激活升高,并有更高的衰老相关分泌表型(SASP)评分。前者和器官衰老的大特点一致,后者可能指向SSS的衰老“潜移默化”作用:以SSS为中心,周边区域都会成为“衰老高危区”;
除了本身性质和环境,SSS似乎还有派遣“小兵”的能力,并通过它们将衰老更高效地传播到更远区域……
图注:各器官中的SSS都保持了上述3个特点
关于崭新的SSS概念,前两点要么与初步实验结果契合,要么在更早的研究中早有体现,但最后一点就显得格外新奇,“小兵”是什么?
经检测,这种广泛出现在所有成分SSS、并能脱离SSS发挥促衰传播作用的物质,竟然是免疫利器——抗体。
免疫系统是维持体内安全稳定的特殊力量,那细胞毒性T细胞和浆细胞就是奋战在对抗内外源病原体一线的两大力量。前者单纯靠“武力”,能暴力吞噬或破坏病原体结构;后者是“技术流”,主要负责分泌对病原体有粘附和“高亮”作用的抗体来达到场控作用。
图注:对抗病原体的免疫系统两大“巨头”
按道理说,衰老细胞本身就属于“病原体”范围内的一员,但在近几年的衰老相关研究中T细胞早已翻车,因为它们不仅能杀灭病原体,还能引起炎症,肆意出现的慢性炎症被证明是重要衰老标识;而现在,这翻车也轮到后者B(浆)细胞了:
当一小撮细胞成为一个SSS衰老据点,那么不论它们原来是什么功能细胞,现在它们都会开始高表达免疫相关基因,如Igkc、Jchain (Igj)、Ighg1、Igha、C4b等,然后,浆细胞、少突胶质细胞(神经支持细胞的一种)甚至心肌细胞,都开始分泌抗体了!
这种“衰老抗体”紧紧围绕在SSS区域及其周边,并随着年龄的增长和SSS一样在各组织器官里不断积累。
图注:图中的IgG和IgκC都是常见“衰老抗体”,在小鼠或人类体内这类抗体都随年龄增长而增加
除了作为各组织器官中衰老重点的标志外,衰老抗体还具有比SASP更强劲的“衰老感染力”。研究者们从SSS点提取了占比最高的衰老抗体IgG,然后将它加到年轻人/鼠正常巨噬细胞、小胶质细胞的培养环境中。
很快,这些细胞就老了,无一幸免。尤其是还作为免疫系统重要成分的巨噬细胞,在迅速衰老的同时还转变成了促炎型,如果不是被局限在培养皿中甚至准备去坑其他组织细胞一把。
图注:人巨噬细胞和小胶质细胞在IgG环境中加速衰老
单纯对细胞的影响可能还不够直观,研究者又给6月龄(约等同于人类刚成年)小鼠连续腹腔注射衰老IgG。
100天后,原本应当正处壮年(约为人类30岁)的实验小鼠也老了,由内而外的那种,表皮可能还看不出啥,但脾脏、淋巴结、海马、肺和心脏都已经积累了相当多的衰老标志物(p21等)、促炎细胞因子(IL-1β等)和纤维化指标。
图注:注射IgG100天后,年轻小鼠体内的衰老和纤维化指标水平大幅上升
衰老据点SSS和它的小兵衰老抗体,组成了全新、但更清晰的衰老图景,同时也提示人类:不想让自己的身体成为一片狼藉的战场?那你得抓紧抗衰了!
既然只要变成SSS据点,不论原先什么身份/功能的细胞都无法控制自己开始分泌抗体,那从源头出发消灭浆细胞或者躲避病原体就不再可行,于是在本项研究中,研究者们采用的对策是专门针对IgG的Fcgrt反义寡核苷酸干预法。
除了数量多、占比高,IgG能作为衰老抗体中的主力,还因为它不好消灭、特别顽固。别的正常抗体做完了本职工作就会被安排下线,但IgG有一套独特的回收再循环系统:FcγR。只要同FcγR结合,IgG就能逃脱被降解的命运,一直保留下来[2]。
图注:IgG回收再利用
Fcgrt反义寡核苷酸虽不能直接针对IgG,但能阻滞回收IgG的FcγR表达,间接消耗IgG。本研究中,与腹腔注射IgG正好相反,给19月龄中年小鼠注射Fcgrt反义寡核苷酸能在短短40天内将各器官内的IgG水平降低一半甚至更多,衰老标志物也同步降低;
之前还有类似研究证明,直接敲除Fcgrt基因或能将小鼠寿命延长12%,并同步延长健康期[3]。
图注:敲除Fcgrt基因能延长小鼠寿命12%
而除了这种相对复杂、涉及基因层面的解决方法,本文研究者们也提出了更贴近生活的方案:“成熟的抗衰老策略,如长期锻炼和接触年轻体液(即换血抗衰中的血浆置换法)也能减轻衰老组织中IgG和衰老细胞的积累”。
总之,SSS找到了,衰老抗体也找到了,衰老具体模式和关键点都已在握,剩下的就是“解决它”,那在此之前,不如先按照研究者们建议的那样,锻炼起来呢?
图注:Fcgrt反义寡核苷酸能降低小鼠IgG、衰老标志和纤维化标志
[本文标题为《Spatial transcriptomic landscape unveils immunoglobin-associated senescence as a hallmark of aging》,发表在生物学顶刊《Cell》上,通讯作者为中科院刘光慧教授、张维绮研究员、曲静研究员和华大生命科学研究院顾颖博士,第一作者为Shuai Ma、Zhejun Ji、Bin Zhang、Lingling Geng、Yusheng Cai、Chao Nie、Jiaming Li、Yuesheng Zuo、Yuzhe Sun、Gang Xu。本研究得到了国家自然科学基金(82125011、82488301、82322025、81921006 和 82122024)、国家重点研发计划(2020YFA0804000、2022YFA1103700、2020YFA0112200、2021YFF1201000、2021YFA1101401、2022YFA1103800、2022YFC3602503、2022YFA1104701、2023YFC3504301、2020YFA0113400 和 STI2030-重大项目-2021ZD0202400)、国家自然科学基金(92149301、92168201、82330044、32341001、92049304、92049116、32121001、82192863、82361148131、82271600、32200610、82371570、82201727、82301758、32300980、82071588、82230043、82361148130 和 8231101626)、中科院基础研究青年科学家计划(YSBR-076、 YSBR-012、YSBR-036)、中科院青年交叉学科团队、北京市自然科学基金项目(Z230011、Z240018、JQ24044、5242024)、深圳市科技计划(RCJC20221008092804002)、中科院信息化计划(CAS-WX2022SDC-XK14)、XPLORER PRIZE 新基石科学基金(2021-1045)、北京市医学科研机构公益性发展改革试点项目(JYY2023-13)、中科院青年创新促进会(E1CAZW0401、2022083、2023092、2020085)、中国科学院青年科学家资助计划(2021QNRC001)、中国科学院动物研究所自主科研计划(2023IOZ0102和2023IOZ0202)、北京市新星计划(20240484493)、首都医科大学优秀青年人才计划(12300927)、浙江省阿尔茨海默病重点实验室(ZJAD-2024001)、北京附属医学研究院技术发展项目(11000023T000002036310)、北京市属高校教师队伍建设优秀青年人才培养计划(BPHR202203105)的支持。]
时光派“返老还童”大赛现已启动,寻找最会抗衰的你瓜分20w!时光派将用参赛者的甲基化年龄除以实际年龄计算出衰老速率,并据此对参赛者进行排名。大赛持续至2025年6月1日,期间参赛者可通过有效的抗衰干预来逆转甲基化年龄,从而降低衰老速率、提升排名。揭榜日的前三名将分别获得10万、5万、3万元的奖金。检测即可参赛:扫描下方二维码购买甲基化检测,结果将自动计入排行榜。
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