两种新技术追踪数千万个单细胞的衰老过程

　　

伴随着衰老的生物学变化似乎发生在人体的许多细胞中。但问题是，我们有数百亿个细胞，而大多数细胞发生的变化仍然是未知的，部分原因在于传统技术的限制。

为此，洛克菲勒大学单细胞基因组学和种群动力学实验室的曹俊越团队开发出一套高通量的单细胞基因组分析工具，可以研究衰老过程如何影响大脑中数千万个细胞的分子状态。

研究团队开发出两种新工具（IRISeq和EnrichSci），以探索衰老过程中的分子变化、基因表达和细胞动力学。这两项研究成果分别发表在《Nature Neuroscience》和《Cell Genomics》杂志上。

曹俊越实验室专注于开发高通量的单细胞测序技术，这些技术能够同时揭示数百万个单细胞的基因表达和分子动力学。

无需显微镜的IRISeq方法

IRISeq是一种无需光学设备的经济高效平台，利用索引测序来实现空间相互作用分析。这项成果于5月12日发表在《Nature Neuroscience》上。

共同第一作者、洛克菲勒大学的Abdulraouf Abdul表示：“几个世纪以来，科学家们一直依赖显微镜来研究组织并了解细胞是如何排布的。我们想知道，是否可以在完全不使用显微镜的情况下，借助DNA本身来绘制整个组织的图谱？”

IRISeq正是为此而设计的。它使用数百万个带有条形码的微珠来捕获组织中的局部基因表达信息。这些微珠与附近的微珠交换DNA信号，让研究人员能够在无需显微镜的情况下，拼凑出细胞在组织中的位置。

利用这种方法，研究人员绘制了成年和老年小鼠大脑的70多块冠状切片的基因表达谱，包括野生型和两种淋巴细胞缺陷模型，并生成了超过46万张空间转录组图谱。

他们发现，小胶质细胞、少突胶质细胞和星形胶质细胞的炎症亚型倾向于聚集在白质中并相互作用。这些发现表明，白质可能是衰老大脑中一个特别脆弱的区域，与疾病相关的细胞状态出现在那里并相互加强。

此外，他们还发现淋巴细胞以一种特异性的方式在衰老的大脑中引发炎症。

“它们的活动集中在某些区域，尤其是靠近充满液体的脑室区域，” Abdul谈道。“如果没有空间信息，这种局部的免疫活动很容易被忽略。”

“了解聚集在一起的细胞类型以及它们的位置，可以为抗衰老干预提供潜在的靶点，”曹俊越补充说。

富集稀有细胞的EnrichSci方法

第二种方法EnrichSci发表在《Cell Genomics》杂志上，这是一种单细胞核RNA测序方法。它首先从混合细胞群中分离出稀有的细胞，提高目标细胞在样本中的百分比。在富集稀有目标细胞后，EnrichSci聚焦于每个细胞中的分子程序。

研究人员将EnrichSci应用于衰老小鼠的大脑，以富集在衰老过程中特别容易出现问题的稀有细胞群，其中包括一些少突胶质细胞亚型，它们只存在于中枢神经系统。

通过这种方法，他们发现了不同亚型中与衰老相关的分子动力学，并揭示了共享及亚型特异性的基因表达变化。此外，他们还鉴定出与衰老相关的外显子水平特征。

第一作者、洛克菲勒大学的Andrew Liao解释说：“外显子是基因的一部分，构成了成熟的RNA转录本，它们可翻译成蛋白质或发挥其他生物学功能。”

这些结果强调，转录后调控在少突胶质细胞的衰老过程中起着重要作用，同时有望为调控神经退行性病变中的这些变化提供新的靶点。

“令人惊讶的是，我们发现许多基因在衰老过程中并不经历显著的表达变化，但它们的外显子却发生了变化，”曹俊越说。“这些变化与可变剪接有关，但也可能与多种疾病有关，包括癌症。”

不仅仅是衰老

研究人员希望这些技术能够作为临床和研究工具，用于诊断疾病，并获得新的生物学见解。

Abdul表示：“在没有背景的情况下研究细胞，就像把书撕碎后阅读书中的某个词语。通过保留细胞之间的空间关系，IRISeq能够在更大的样本规模和更广泛的背景下研究组织如何发挥功能、发生变化以及应对疾病。”

Liao希望扩展EnrichSci，以实现RNA和染色质可及性的联合分析。“这种联合分析将能够捕捉到基因和外显子水平的变化，以及潜在的表观遗传变化。” 

曹俊越认为，这些新技术可用于研究许多生物学背景下的细胞动力学。例如，IRISeq可用于研究癌症进展过程中的免疫细胞相互作用，而EnrichSci能阐明可能参与疾病进展的转录后变化。