《Frontiers in Genetics》：Tissue-specific aging—a new paradigm based on transcriptional insights from select model systems and humans
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衰老是一个受基因影响并被环境修饰的复杂过程。衰老研究的前沿已从生物体水平推进至组织与单细胞水平，并借助组织块转录组和单细胞转录组进行分析。转录组学具有高分辨率、每样本信息全面以及可扩展至大量样本的优势。从多个时间点获取的多种组织数据集表明，每个组织的衰老方式各
衰老是一个受基因影响并被环境修饰的复杂过程。衰老研究的前沿已从生物体水平推进至组织与单细胞水平，并借助组织块转录组和单细胞转录组进行分析。转录组学具有高分辨率、每样本信息全面以及可扩展至大量样本的优势。从多个时间点获取的多种组织数据集表明，每个组织的衰老方式各不相同。转录组学方法有望极大地扩展与衰老相关变化有关的候选机制和基因的鉴定范围，这些候选机制和基因随后可在模式生物中进行验证。本文重点关注秀丽隐杆线虫（C. elegans）、黑腹果蝇（Drosophila）、小鼠和人类中的相关研究，尽管其他生物中也取得了相当大的进展。当前研究正在将组织特异性衰老的分子和生理标志物转化为广泛的诊断手段。最终目标是将潜在机制转化为能够改善人类健康寿命（health span）的疗法。
主体内容总结
2 生物体与组织水平的衰老
长寿是一个受众多基因和多种环境因素影响的复杂性状，不同个体、不同群体和不同物种间呈现不同的衰老轨迹。利用果蝇遗传参考 panel（Drosophila Genetic Reference Panel，DGRP）对3–5日龄与3周龄果蝇转录组进行比较的研究发现，年龄、性别和遗传背景对转录组有不同的影响。当对所有品系的遗传方差进行划分时，雌性10,806个表达基因中有64%、雄性14,261个表达基因中有57%存在与年龄相关的表达差异。
研究范式的转变正从生物体整体水平转向组织与细胞水平，这一转变主要得益于组织块RNA测序（bulk RNA-seq）、单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单核RNA测序（snRNA-seq）技术的发展。全转录组测序是目前捕捉衰老过程中所有变量的最佳手段，因其信息量大、可从小样本扩增数据、并能够扩展到涵盖多种组织类型、生命周期多个时间点、同一近交群体多个个体以及不同遗传背景多个群体的数千个样本。scRNA-seq与snRNA-seq各有优缺点：snRNA-seq适用于难以获得完整细胞的组织，但核内RNA含量较少、信号较弱，且可能因仅存在于核内的RNA（如部分加工转录本）而使转录组产生偏差，但细胞核可冷冻保存，便于样本收集。
组织特异性衰老包含两个组成部分：一是细胞自主性变化，涉及生物体大多数细胞共有的分子变化；二是细胞非自主性变化，涉及信号传导、组织结构以及随年龄增长组织中细胞类型组成的变化。
2.1 细胞图谱——定义细胞与组织类型的新方法
单细胞和组织块RNA测序已被用于构建细胞图谱，即生物体（线虫和果蝇）或所采样组织（小鼠、人类）中所有细胞类型的目录。基于转录组的初始细胞类型注释可进一步利用蛋白质组学、空间组学等数据进行细化。衰老研究的参考图谱通常来源于年轻成年个体。基于主成分分析（PCA）的统计方法用于转录谱聚类，并通过UMAP或tSNE等降维方法进行可视化。
果蝇图谱由40个实验室组成的联盟通过标记基因和/或转录组模式分配及共识投票完成，鉴定出250种主要细胞类型。小鼠细胞图谱对20种组织进行分离和细胞解离，利用已知标记基因文库进行细胞簇鉴定。线虫经UMAP分析后获得211个细胞簇，通过Wormbase中5,375个与解剖学术语关联的基因将每个簇对应到特定细胞类型。
细胞的功能包括其在组织中的位置及与其他细胞的相互作用。空间转录组学可将表达数据映射到薄组织切片上，其中一种方法利用修饰的荧光原位杂交（FISH）技术，将基因特异性荧光探针杂交、定量可视化后清除，重复多次。该方法已用于衰老研究，数百个细胞类型标记基因被用于绘制果蝇所有组织和小鼠脑的衰老图谱。
2.2 果蝇衰老细胞图谱
由于转录模式随年龄变化，衰老细胞图谱需要在动态转录组的背景下追踪细胞类型。年轻成年果蝇163种细胞类型中约80%表现出与年龄相关的表达基因数量减少，大多数细胞类型标记基因的表达水平随年龄显著下降。衰老果蝇细胞图谱（Aging Fly Cell Atlas）采用snRNA-seq，在5天（年轻）、30、50和70天采样，头部鉴定出91种细胞类型、体部72种。主要趋势包括：与年龄相关的差异表达基因（DEGs）及其GO注释对每种细胞类型具有特异性；脂肪体细胞类型具有最多的DEGs（约4,000个），其兼具哺乳动物脂肪细胞和肝细胞的功能；除表达基因数量减少外，所有持续表达的基因转录水平也随年龄下降；蛋白质翻译相关基因在所有细胞类型中均下调，这是所有细胞类型唯一保守的GO特征；基于转录组变化建模的衰老时钟中，80%的DEGs为细胞类型特异性DEGs。
两项果蝇研究展示了scRNA-seq与bulk RNA-seq各自的优劣。一项研究对两个品系雌雄果蝇脑细胞在8个时间点进行scRNA-seq，另一项对单一品系雄性果蝇头部在15个时间点进行bulk RNA测序。两项研究均发现转录随年龄整体下降。15个时间点的研究检测到6,142个年龄相关DEGs，占检测基因总数的50%，并识别出28种不同的表达轨迹，其中5种持续下降、5种持续上升，部分仅在早期或晚期变化，少数在中龄出现峰值或拐点。
2.3 小鼠衰老细胞图谱
单细胞小鼠图谱联盟的一项研究分析了衰老组织中细胞类型组成的变化，与果蝇研究一致，发现转录随年龄整体下降、表达基因数量减少。另一项联盟相关研究对17个器官在雄性10个年龄、雌性8个年龄进行bulk测序，发现6或9月龄（相当于人类30或36岁）首次出现的DEGs在老年动物中定性保持不变，但定量变化随年龄持续增加。转录因子调控网络在各组织中大多具有独特性。将每个DEG的表达量对年龄作图，共出现8种模式或轨迹。scRNA-seq分析表明，脂肪、肾脏、心脏、肝脏、肌肉、骨髓和脾脏中与炎症相关基因表达的增加与B细胞数量增加相关。小鼠脑的scRNA-seq研究（2–3月龄与21–23月龄）鉴定出25种细胞类型，细胞类型随年龄保持稳定，但7.6%的基因表现出年龄相关变化，主要涉及细胞呼吸、蛋白质合成（核糖体基因）和炎症反应。
两项更新的研究对14个小鼠组织在三个年龄进行额外snRNA-seq，在14个器官中鉴定出270种主要细胞类型，非神经组织中分析的239种细胞类型中有23种细胞数量随年龄显著变化。“成年晚期”（12–23月龄，相当于人类40–70岁）的小鼠中多种免疫细胞丰度大幅增加，但仅涉及有限的B细胞和T细胞亚群。同一研究组近期利用染色质可及性创建了衰老图谱，对21个小鼠组织在三个年龄进行单核ATAC-seq，发现与衰老相关的表观遗传变化中91%为细胞类型特异性。
2.4 人类细胞图谱
人类细胞图谱的构建由两个独立联盟承担：人类细胞图谱联盟（Human Cell Atlas，HCA）和Tabula Sapiens联盟。Tabula Sapiens联盟为24种成人组织构建了单细胞转录组图谱，供体年龄22至74岁，通过专家人工注释和联盟开发的自动化注释两种方法进行比较以检测和纠正错误，鉴定出475种细胞类型。HCA联盟已发表肺、脑、内胚层来源类器官、神经类器官、血管细胞、妊娠早期胎盘、子宫内膜、女性乳腺、胸腺发育、胚胎肢体、成人胃肠道、衰老骨骼肌、衰老皮肤、衰老卵巢、衰老外周血单核细胞等详细图谱。
2.5 人类衰老组织图谱
人类组织特异性衰老以两项骨骼肌研究为例说明。一项研究使用肢体骨骼肌活检，另一项使用肋间肌，均采用scRNA-seq和snRNA-seq。两项研究均发现老年队列中IIX型快缩肌纤维几乎完全丧失，部分慢缩肌纤维出现快缩分子特征。肋间肌纤维在老年供体中基因表达下降、直径变小。肢体肌肉中静息干细胞减少、具有炎症特征的激活干细胞增加，而肋间肌中静息细胞稳定、激活细胞减少。两种干细胞变化均被认为与年龄相关的肌纤维再生能力下降有关。两项研究均发现肌肉和血管 compartments 中促炎免疫细胞增加。肢体肌肉研究将转录组与ATAC-seq数据关联，鉴定了推定的基因调控网络和相关转录因子。
3 生物体与组织特异性衰老时钟
分子和临床数据已被用于开发衰老时钟，用于预测时序年龄或生物学年龄。大多数衰老时钟聚焦于人类，全生物体时钟利用DNA甲基化、转录组或血液蛋白质组等不同类型输入数据，经机器学习训练“调校”而成。人类组织特异性衰老时钟利用转录组数据、血浆蛋白质组、器官特异性的临床诊断检测，或包含血浆蛋白、血浆代谢物、常规生理检测和脑扫描的复杂数据集构建。一项研究对多个大规模数据集进行分析，发现年龄相关变化在约44岁和60岁出现峰值。器官年龄差距（age gap）与多种年龄相关疾病的存在或后续发展有强相关性。另一项研究利用UK Biobank中45,000名参与者的3,000种血浆蛋白数据，训练了预测时序年龄和死亡率的模型，器官生物学年龄与器官特异性疾病发病率显著相关。利用广泛使用的诊断指标建模器官衰老的研究发现，遗传、环境和生活方式因素广泛影响年龄差距，某些器官的年龄差距可预测该器官的疾病风险，并绘制了器官间相互作用网络。利用多组学数据的研究在约40岁和60岁观察到“扩展分子变化”的两个峰值。最新的研究基于细胞类型特异性血浆蛋白建立了43种细胞类型的衰老模型，星形胶质细胞年龄差距高度正向的无症状个体后续患阿尔茨海默病的风险高出12.6倍，年龄差距还可预测多种癌症、2型糖尿病、慢阻肺、心力衰竭、卒中和全因死亡率。
4 从进化视角看组织特异性衰老
各组织类型特异的年龄相关变化与进化理论一致。衰老被认为是物种生活史进化的副产物，突变累积和拮抗多效性被认为是生命后期适合度选择压力丧失的两种结果。如果基因在整个成年期表达，编码区的非中性突变将受到选择，但影响晚期表达的调控序列中可能累积突变。进化视角预测每个组织的衰老过程不同，因为影响基因调控的突变概率更高。线虫scRNA-seq研究增加了另一种驱动晚期基因表达变化的机制：应对应激和损伤的韧性。韧性机制在成年期全程存在，但在生命后期大幅上调。长寿物种如裸鼹鼠中韧性通路增强，支持了这一机制。一项利用1900至1935年间出生的同卵和异卵双胞胎数据的研究，通过数学模型计算了寿命的内在遗传力为55%，与远交小鼠品系获得的遗传力一致。
5 展望
衰老研究最突出的目标之一是延缓生理衰退、最大化人类健康寿命。进化理论主张聚焦于人类组织特异性衰老。通过GTEx联盟的工作，可鉴定在生命后半程起作用的基因调控区突变，并将其与特定组织的衰老关联。最终目标是扫描个体基因组序列中的此类突变，指导诊断和潜在治疗干预。
转录组数据显示衰老过程中炎症增加、免疫系统发生显著变化，多种组织中免疫细胞浸润增加。人类骨骼肌衰老研究揭示了另外两种衰老机制：干细胞功能障碍和衰老细胞累积。原代细胞衰老是细胞自主性变化，主要影响成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞；继发性衰老是细胞非自主性变化，由衰老细胞释放的衰老相关分泌表型（SASP）信号引起。SenNet工作组正在为多种人类和小鼠组织中衰老细胞的检测和表征提供指南，此类数据可用于指导衰老细胞清除药物（senolytic drugs）的开发。
组织特异性衰老研究利用单细胞转录组和细胞图谱，已转变了对炎症和免疫系统年龄相关变化的研究方式。另一研究领域涉及称为间充质漂移（mesenchymal drift，MD）的细胞状态变化，该基因特征出现在多种衰老组织和与高龄或器官衰竭相关的疾病中，可通过低剂量Yamanaka因子处理或诱导而逆转。
衰老相关变化是驱动特定疾病的重要机制，可能是考虑自主性和非自主性效应时的主要因素。染色质结构的年龄相关变化是一类可靶向治疗的候选机制，已有多种改变染色质结构的药物，是未来药物开发的有前景的领域。
5.1 结论
从生物体整体衰老到组织特异性衰老的范式转变，已被能够在单细胞水平追踪详细分子变化的新数据极大加速。每个组织遵循不同的衰老轨迹，这在分辨率最高的转录组技术中最为清晰。能够追踪人类各组织衰老速率的诊断工具，有望在疾病进展远早于以往可能的阶段实现临床干预。随着更多证据将组织特异性衰老与老年人疾病联系起来，对潜在衰老机制的治疗性调控将显著拓宽改善人类健康寿命的能力。
