小鼠海马衰老相关的单细胞多组学图谱揭示细胞类型特异性转录组与染色质可及性变化

本文通过单细胞核多组学测序技术（snRNA-seq + snATAC-seq），系统解析了年轻与老年小鼠海马体中不同细胞类型的基因调控网络。研究发现少突胶质细胞（OLIGO）和齿状回神经元（DG）在衰老过程中表现出最显著的转录组和表观遗传改变，并鉴定出BACH2转录因子作为DG神经元衰老的关键调控因子。该研究为理解脑衰老的细胞特异性机制提供了重要见解，揭示了染色质可及性变化先于基因表达改变的"易感状态"，为神经退行性疾病研究提供了新方向。

2.1 老年小鼠海马体的单细胞转录组和染色质可及性分析

为了解衰老过程中海马体不同细胞类型的基因调控网络变化，研究人员对7周龄（年轻）和108周龄（老年）雄性小鼠的两个生物学重复进行了单细胞多组学分析。通过同时从同一细胞核获取RNA和ATAC文库，该方法能够直接比较基因表达和染色质状态，并最小化样本间差异。

质量控制过滤后保留了15,480个细胞核，通过MACS2峰值识别获得了478,861个染色质可及性峰值，分布在远端（35%）、内含子（53%）、启动子（6%）和外显子（6%）区域。通过两种模态（RNA和ATAC）的无偏聚类产生了32个实体，重现了主要细胞类型，包括DG、CA1、CA2、CA3和SUB的兴奋性神经元（ExN），以及表达生长抑素或小白蛋白的中间神经元（SST/Pvalb）、表达Vip的中间神经元（Vip）、表达Lamp5的中间神经元（Lamp5）、星形胶质细胞（ASTRO）、未成熟神经元（ImN）、少突胶质细胞（OLIGO）、少突胶质前体细胞（OPC）、小胶质细胞（MG）和内皮细胞（ENDO）。

研究发现神经元群在年轻和老年样本中均占主导地位，占总样本的60%以上。OLIGO在衰老过程中总体频率增加（年轻中31%，老年中40%），并且在UMAP上呈现年龄依赖性分离。老年和年轻的DG神经元也倾向于聚集在一起，其中簇14和17富含年轻细胞，簇15和16富含老年细胞。

2.2 海马衰老过程中细胞类型特异性的转录组和表观基因组动态

衰老相关的OLIGO和DG簇在UMAP上的分离表明，这些细胞可能比其他细胞类型经历更显著的基因表达和染色质状态变化。通过比较每种细胞类型内年轻和老年细胞，分析了差异表达基因（DEGs）和差异可及区域（DARs）。

研究发现，在兴奋性神经元中，DG神经元经历最显著的转录组变化，其次是CA1、SUB和CA3神经元。在染色质水平上，神经元亚型表现出显著的衰老相关变化，DARs在总峰值中的比例高于DEGs在总基因中的比例。相比之下，胶质细胞在RNA和开放染色质谱上表现出更平衡的变化数量，表明它们的转录组和染色质可及性在衰老过程中受到相似程度的影响。

值得注意的是，DG神经元和OLIGO在RNA和染色质水平上都表现出最 drastic 的变化。启动子区域中衰老DARs的比例在老年OLIGO和OPC中显著富集。在兴奋性神经元中，远端基因间峰值整体下降，而内含子和启动子区域的峰值增加，表明这些细胞的调控景观发生了转变。

2.3 海马衰老过程中胶质细胞中神经元基因的失调

为了阐明观察到的衰老相关变化的生物学意义，研究人员对衰老相关DEGs和衰老DARs附近基因进行了基因本体（GO）分析。研究发现，胶质细胞中的几个神经元基因在基因表达和染色质可及性水平上都受到衰老影响。

在OLIGO中，Cdh8、Prkca和Robo1表达上调，而Kndc1、Ank3和Creb5表达下调。在ASTRO中，Brinp3、Fgf13和Erbb4表达上调，而Kirrel3、Sema6a和Grip1表达下调。这些基因在突触可塑性中发挥重要作用。

转录因子 motif 富集分析显示，神经元功能相关术语与衰老相关术语（包括免疫反应和凋亡）一起被检测到。特别是，神经发生和神经元分化的调控在OLIGO中老年上调的DARs上富集的TF motifs中富集，而神经元分化和轴突导向在ASTRO中富集。

2.4 神经元中染色质可及性水平的失调重现衰老特征

为了研究神经元中的衰老相关失调，研究人员分析了染色质可及性和基因表达的变化。GO术语分析揭示了神经元和胶质细胞共享的共同特征，特别是在突触组织和轴突发生方面。

在神经元中，DAR分析检测到与突触组织、轴突发生、学习和认知相关的术语在所有主要细胞类型中一致富集，而这些在DEG分析中不一定富集。轴突导向和突触可塑性基因（如Robo1和Nrg1）通常随衰老而改变，而其他基因（如Etv1）显示细胞类型特异性。

不同的细胞类型特异性改变也从染色质可及性分析中出现。值得注意的是，SUB和DG神经元在与JNK cascade相关的基因位点（如Fgf12）中可及性增加，这参与轴突反应和突触生长，突出了它们对衰老的独特易感性。

2.5 老年DG神经元中BACH2活性降低

研究人员重点研究了DG神经元，因为它们在所有神经元亚型中表现出最显著的转录组和染色质水平变化。为了揭示DG衰老的顺式调控机制，研究人员对衰老DARs进行了motif富集分析，揭示了与神经元分化、轴突发育、轴突导向和钙离子细胞反应相关的motifs显著富集。

研究发现，老年DG神经元中BACH2表达特异性降低，这是在老年上调的DARs上富集的TFs中变化最显著的。BACH2是一种参与细胞应激反应的转录因子，其减少可能导致神经元功能下降和神经元死亡。BACH2启动子、基因体和推定增强子的可及性在老年DG神经元中也减少。

GO分析发现，DG中含有BACH2 motif的老年上调DARs富集了参与突触传递（如Nrxn3和Grm8）、凋亡（如Unc5d）和离子转运活性（如Camk2d）的基因。这些推定靶基因的表达在DG神经元中显著上调。

3 讨论

本研究使用单细胞核多组学测序系统性地表征了衰老小鼠海马体中细胞类型特异性的基因调控网络。研究发现，在兴奋性神经元中，染色质变化比转录组变化更广泛。值得注意的是，突触可塑性相关位点的染色质可及性变化通常先于转录组变化，支持存在易感染色质状态。

DG神经元在染色质和转录水平上受影响最大，突触可塑性和凋亡途径相关基因失调，可能由BACH2和AP-1调控。研究发现BACH2过表达降低了Camk2d位点的染色质可及性，表明在染色质水平直接抑制。

虽然本研究专注于雄性大脑，但新兴数据表明衰老轨迹可能因性别而异，女性显示出更大的小胶质细胞炎症反应。此外，最近的研究报告了细胞类型比例的性别特异性变化，包括老年雄性大脑中兴奋性神经元群的减少和女性中小胶质细胞的增加。

最后，由于在大多数细胞类型中分析了细胞核而不是细胞，本研究的数据集在检测免疫相关基因方面存在局限性，这与先前关于小胶质细胞中mRNA捕获能力的差异发现一致。