跨物种单细胞肾脏表观基因组图谱揭示疾病中上皮细胞主导的衰老样状态

《Nature Aging》：A cross-species single-cell kidney epigenome atlas reveals epithelial-dominant aging-like states in disease

　　

表观遗传衰老（epigenetic aging）是慢性疾病的标志之一。尽管此类表观遗传变化可在组织损伤后出现，但受影响最显著的细胞类型在很大程度上仍属未知。为此，研究人员构建了一个跨物种的单细胞多组学图谱，涵盖DNA甲基化（DNA methylation）、染色质可及性（chromatin accessibility）以及转录组谱，研究对象包括健康与损伤的人类肾脏以及年轻与年迈的小鼠肾脏。研究人员发现，患病肾脏中的肾小管上皮细胞表现出显著的加速表观遗传衰老，并证明这种病理状态与衰老过程中观察到的转录轨迹相吻合，这一过程由缺乏CpG岛（CpG island）的谱系特异性基因优先失调所驱动。在空间层面上，这些表观遗传变化可定位到未修复的病理微环境（pathological niches）。通过同步分析单细胞DNA甲基化与三维基因组结构（3D genome architecture），研究人员揭示，疾病中的上皮修复状态经历了显著的更高层级基因组重组，同时伴随着与肾功能衰退相关基因的激活。综上，研究结果刻画了在协调的三维染色质结构内表观遗传抑制的丧失以及局部甲基化组完整性的降低，这些变化损害了衰老过程中的上皮细胞身份并阻碍修复。

论文解读：跨物种单细胞肾脏表观基因组图谱揭示疾病中上皮细胞主导的衰老样状态

慢性肾脏病（chronic kidney disease，CKD）是重大公共卫生挑战，常由长期损伤和炎症导致肾功能进行性下降，部分受损细胞无法正常修复而进入持续功能障碍状态，最终引发纤维化和器官衰竭。表观遗传机制对于建立和维持细胞身份、调节细胞对应激的反应至关重要，表观遗传失调可使组织从适应性修复转向持续性病理状态。然而，肾脏中存在多种细胞类型，与慢性疾病中修复失败相关的细胞类型特异性表观遗传程序此前尚不清楚。尽管现有单细胞研究已提供转录组和染色质可及性的信息，但更深入的表观遗传层——如DNA甲基化和三维基因组结构——仍缺乏细胞类型分辨的视角。此外，衰老是CKD的主要风险因素，但正常年龄相关表观遗传漂移与疾病病理改变之间的相互作用有待阐明。

为解决上述问题，研究人员构建了覆盖健康和疾病人类肾脏、年轻和老年小鼠肾脏的跨物种、多模态单细胞肾脏表观基因组图谱，整合了单细胞DNA甲基化、匹配的单细胞RNA表达、染色质可及性、空间转录组（Xenium，10x Genomics）以及单细胞甲基化Hi-C（scMethyl-Hi-C）数据。通过分析，研究人员发现疾病相关的DNA甲基化时钟年龄加速在肾小管上皮细胞中最为显著，并鉴定出该病理状态与正常衰老转录轨迹的相似性，且这些表观遗传变化可定位于未修复的组织微环境。进一步整合单细胞DNA甲基化和三维基因组结构后，研究人员揭示了疾病中上皮修复状态发生的高阶染色质重组，并识别出与肾功能下降相关的基因激活。这些发现发表于《Nature Aging》，为理解细胞类型特异的肾脏衰老和疾病表观遗传机制提供了重要资源。

在技术方法上，研究人员使用了多种关键技术。首先，利用基于组合索引的单细胞甲基化测序方法（sciMET）生成人类和小鼠肾脏的单细胞DNA甲基化图谱；其次，采用10x Multiome平台同步捕获同一细胞核中的RNA表达和染色质可及性；第三，应用Xenium空间转录组平台对健康、急性肾损伤（AKI）和CKD样本进行空间基因表达分析；第四，使用scMethyl-Hi-C在单细胞水平同时获取DNA甲基化和三维染色质构象。人类样本来自12名供体（7名肾脏病患者、5名年龄匹配对照），小鼠样本为6只雄性C57BL/6J小鼠（3只4月龄年轻小鼠、3只20月龄老年小鼠）。人类样本由人类生物分子图谱计划（HuBMAP）收集，所有分析均通过已验证的计算流程处理。

研究结果分为七个部分。第一，“人和小鼠肾脏的多模态表观基因组图谱”：通过sciMET获得57,619个高质量细胞核，整合10x Multiome数据后成功注释出所有主要肾脏细胞类型，发现启动子低甲基化与染色质可及性高度一致，而远端调控元件的甲基化与可及性关系更为多样。第二，“肾脏细胞类型的表观遗传保守与分歧”：将人和小鼠数据整合后识别13个共识细胞谱系，发现上皮细胞类型跨物种甲基化分歧显著更大，保守DMR富集于启动子和Polycomb抑制状态，而物种特异性DMR主要位于远端增强子和基因间区。第三，“年龄与小鼠肾脏细胞类型特异性表观重塑”：小鼠表观遗传时钟能准确区分年轻和老年个体，年龄相关甲基化变化优先影响细胞类型特异的调控元件，特别是谱系特异的低甲基化区域（LMR），且与损伤后开放的染色质区域显著重叠。第四，“疾病相关DNA甲基化时钟年龄加速在肾小管上皮细胞中最显著”：患者上皮细胞假bulk甲基化组平均年龄加速4.8年，而非上皮细胞无显著差异；通过独立bulk WGBS组织去卷积验证了该结论，并发现PT特异DMR富集eGFR遗传力。第五，“改变状态的近端小管细胞显示增加的甲基化异质性和与衰老转录特征重叠”：同一供体内比较健康与改变状态PT细胞，发现广泛甲基化改变（63%高甲基化），单分子共甲基化分析显示局部甲基化协调性降低、熵增加，且改变状态PT细胞中同时具有甲基化和表达变化的基因富集于缺乏CpG岛的基因，并与年龄相关转录程序正相关。第六，“疾病相关PT甲基化表达特征定位于修复相关空间微环境”：Xenium空间转录组分析识别出早期修复微环境和失败修复微环境，改变状态PT细胞的DMR相关基因富集于相应病理微环境中。第七，“健康参考PT特异染色质区室富集改变PT细胞中失调基因”：scMethyl-Hi-C分析定义了健康肾脏的A/B染色质区室，发现改变状态PT细胞中上调基因富集于PT特异的B区室（异染色质样），下调基因富集于PT特异的A区室（常染色质样），并识别出推定“去抑制”区域，其中包含炎症因子（如CXCL1、CXCL2）和促纤维化基因，其血浆蛋白水平与eGFR负相关。

在讨论部分，研究人员指出，疾病相关的DNA甲基化年龄加速主要由肾小管上皮细胞贡献，PT特异DMR富集于肾功能遗传风险位点，支持表观遗传失调与遗传风险之间的关联。改变状态的PT细胞表现出局部甲基化协调性降低、谱系程序失调以及与正常肾脏衰老的转录重叠，且同时受甲基化和表达调控的基因倾向于缺乏CpG岛，提示这些基因可能位于抑制性染色质环境中。三维结构分析进一步表明，改变状态伴随PT特异染色质区室的重组，并涉及炎症和重塑相关基因的去抑制。空间转录组则将改变状态PT定位于炎症性修复微环境，提示免疫细胞旁分泌信号可能加剧上皮细胞表观遗传不稳定。跨物种比较显示核心肾脏细胞身份的表观遗传保守，但上皮远端调控元件分歧较大，这为模型转化研究提出了警示。研究局限性包括：小鼠模型不能完全模拟人类慢性疾病、跨物种比较主要针对直系同源区域、小鼠队列仅含雄性、人类疾病队列样本量较小且病因异质，以及scMethyl-Hi-C参考供体单一等。研究结论可概括为：疾病和衰老过程中，协调的三维染色质结构内发生表观遗传抑制的丧失，伴随局部甲基化组完整性降低，从而损害肾小管上皮细胞的身份维持，阻碍修复过程，最终促进肾脏功能衰退。该图谱为未来研究肾脏衰老和疾病的细胞类型特异性表观遗传机制提供了重要基础。