多组学分析揭示脊髓衰老过程中的基因表达特征

　　

浙江大学医学院领导的研究团队近日在《Communications Biology》期刊发表了题为 “Multiomics identify the gene expression signature of the spinal cord during aging process” 的论文。

这项研究通过多组学技术系统地揭示了脊髓衰老过程中的基因表达特征，为理解脊髓衰老的分子机制提供了重要依据，有望为开发干预脊髓衰老相关疾病的策略奠定基础，对神经科学和老年医学领域意义重大。

一、研究背景

随着全球人口老龄化加剧，与年龄相关的长期残疾问题日益突出。脊髓作为中枢神经系统的重要组成部分，其衰老会影响运动、感觉等多种功能，导致残疾发生。目前，神经修复治疗策略对改善老年人相关功能的效果有限，深入了解脊髓衰老的细胞机制，对开发新的治疗方法、缓解老龄化带来的社会负担至关重要。

单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术虽能在单细胞水平分析基因表达，但缺乏精确空间信息。空间转录组学（ST）可在亚细胞分辨率下全面表征组织结构，已被广泛应用于多种组织研究，但在脊髓衰老研究中的应用较少。本研究首次利用空间转录组学技术构建年轻和年老脊髓组织的时空图谱，并整合批量细胞 RNA 测序数据，全面探究脊髓衰老过程中的基因表达变化。

二、研究材料与方法

（一）实验动物

选用3月龄（年轻）和24月龄（年老）的雌性大鼠，动物实验经浙江大学伦理委员会批准，严格遵循相关动物护理和使用指南，在浙江大学实验动物中心饲养。

（二）实验技术

组织处理与空间转录组学分析：麻醉大鼠后灌注生理盐水，取胸段脊髓嵌入 OCT 包埋剂切片。利用10x Genomics的 Visium Gateway Gene Expression Slide 进行空间转录组实验。利用 Seurat 软件进行数据分析，包括数据标准化、差异基因分析和聚类分析。

单细胞核 RNA 测序数据分析：分析猴脊髓组织的单细胞 RNA 测序数据，筛选高质量细胞核，进行数据标准化、聚类分析和差异基因分析。

其他实验方法：采用实时定量 PCR 验证基因表达；进行原代混合神经胶质细胞培养、诱导衰老和铁死亡处理；通过 RNA 干扰和慢病毒转染技术调控 Fth1 表达；利用 Western blotting 检测蛋白表达；使用 CCK - 8 法检测细胞活力；运用流式细胞术检测细胞内游离 Fe2+和活性氧（ROS）水平。

三、研究结果

• 脊髓衰老过程中独特的转录谱

对年轻和年老大鼠脊髓进行批量细胞 RNA-seq，热图显示组内相关性强。与年轻脊髓相比，年老脊髓中有 526 个基因上调，300 个基因下调。GO、KEGG 和 IPA 通路分析表明，差异表达基因与白细胞激活、吞噬体形成、神经炎症、铁死亡和坏死性凋亡等过程相关。对上游转录因子的预测和相互作用组分析发现，Spi1 可能在脊髓衰老过程中起核心调控作用。

• 年轻和年老脊髓的空间转录组谱

对年轻和年老大鼠脊髓进行空间转录组分析，他们捕获到 1588 个基因表达点，并确定了 7 个细胞簇，包括神经元、神经胶质细胞和成纤维细胞等。空间分布显示神经元位于灰质，神经胶质细胞主要在白质，成纤维细胞定位在脑膜。年老脊髓中星形胶质细胞与小胶质细胞的比例略增，成纤维细胞比例降低，而神经元比例无差异。

• 衰老过程中白质和灰质的转录变化

比较年轻和年老脊髓的白质与灰质转录谱，他们发现年老灰质中 Fth1、Cst3、Gfap 等基因显著上调；年老白质中 Apoe、Fth1、Cxcl14 等基因明显上调。GO 和 KEGG 富集分析表明，年老灰质与神经冲动传递、髓鞘形成等过程相关，而年老白质与神经元包裹、铁死亡等过程相关。

• 不同细胞亚型在衰老过程中的转录组变化

通过 UMAP 可视化，鉴定出三种神经元亚群和多种神经胶质细胞亚型。年老脊髓中不同神经元亚群数量有变化，各神经元和神经胶质细胞亚型的差异表达基因参与不同生物学过程。在进一步分析食蟹猴的脊髓单细胞核 RNA 测序数据后，他们发现年老脊髓中部分细胞类型比例改变，不同细胞亚型的差异表达基因参与多种生物学过程。有意思的是，在脊髓衰老过程中，FTH1在大多数细胞类型中上调，包括星形胶质细胞、小胶质细胞、成纤维细胞、内皮细胞等。

• 脊髓衰老过程中的铁死亡抗性

批量细胞 RNA-seq 和空间转录组学数据显示，年老脊髓中铁死亡相关基因富集，其中 Fth1 显著上调。实验证实年老脊髓中 Fth1 在多种细胞类型中表达增加，年老混合神经胶质细胞对铁死亡具有抗性，尽管细胞内游离 Fe2+ 和 ROS 积累增加。过表达 Fth1 可降低正常混合神经胶质细胞对铁死亡的敏感性，敲低 Fth1 则增加年老混合神经胶质细胞对铁死亡的敏感性。

四、研究结论

本研究通过多组学分析，揭示了脊髓衰老过程中的基因表达特征。批量转录组学表明衰老与炎症、氧化应激和铁死亡相关，Spi1 可能是关键转录因子。空间和批量转录组学均显示 Fth1 在年老脊髓中上调，体外实验证实其与年老脊髓对铁死亡的抗性有关。

脊髓衰老与多种生命活动相关，研究结果符合衰老的多个特征，如神经炎症、补体激活等。但研究存在局限性，Spi1 作为潜在核心调节因子的作用需进一步验证，空间转录组学样本有限且分辨率不高，Fth1 的上下游调控机制有待深入研究。

尽管如此，本研究首次系统地描绘了脊髓衰老的转录特征，发现铁死亡抗性可能是衰老的普遍特征，且在不同物种间具有保守性，为后续研究脊髓衰老机制和开发干预策略提供了重要线索，为改善老年人健康状况提供理论基础。