人类前额叶皮层全生命周期单细胞转录组图谱揭示细胞程序从弹性向脆弱性的转变

《Nature》：Lifespan single-cell transcriptomic atlas of the human prefrontal cortex

　　

人脑从早期发育到成年晚期经历深刻变化，塑造认知、行为和疾病易感性。理解这些变化如何在特定脑区和细胞类型中组织，对于解释正常衰老及其与精神疾病和神经退行性疾病的关系至关重要。背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）在高级认知功能中发挥核心作用，且对年龄相关衰退尤为敏感，但其跨人类寿命的细胞和分子程序仍缺乏明确界定。大多数现有研究集中于有限的年龄范围或患病脑组织，限制了对正常发育和衰老轨迹与病理过程进行区分的能力。因此，一直缺乏一个全面、寿命分辨的人类前额叶皮层细胞状态参考图谱。在此，研究人员利用一个跨越人类寿命的单核转录组图谱（single-nucleus transcriptomic atlas），发现DLPFC表现出非线性、细胞类型特异性的转录轨迹，其特征为发育期间动态重塑、中年相对稳定以及成年晚期选择性分子再激活。研究人员确定了不同的神经元和胶质程序，包括早期神经元弹性通路以及晚期胶质程序（与免疫激活、应激反应和昼夜节律重组织相关）。这些程序在皮层分层和灰白质域中具有解剖学组织，揭示协调的空间和分子变化。综上所述，这些发现为理解人类皮层细胞程序如何从弹性向脆弱性转变提供了框架，并为解释年龄相关的认知衰退和疾病风险奠定了基础。

人类大脑的发育与衰老涉及复杂的分子和细胞变化，理解这些变化如何发生在特定脑区和细胞类型中，是区分正常衰老与神经精神疾病的关键。背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）作为高级认知中枢，对年龄相关衰退尤为敏感，然而既往单细胞研究多聚焦于有限年龄段或疾病状态，缺乏覆盖全寿命的系统性图谱。研究人员对284名神经典型供体（0–97岁）的DLPFC进行了单核RNA测序，构建了包含1,307,674个核的全寿命单核转录组图谱，并利用整合差异表达、非线性轨迹建模、mashr效应共享分析、伪时间推断、空间转录组验证及昼夜节律分析等方法，揭示了DLPFC转录组的三阶段特征：发育期广泛重塑、中年相对稳定、成年晚期选择性再激活。该研究定义了神经元和胶质细胞的年龄相关程序，并将它们与精神疾病和神经退行性疾病的遗传风险联系起来，为理解正常衰老中的细胞弹性向脆弱性转变提供了重要框架，论文发表于《Nature》。

主要技术方法方面，研究人员利用荧光激活核分选（FANS）和10x Genomics单细胞3′ v3.1平台，对来自NIMH-IRP人类脑库（172例）和西奈山NIH神经生物库（112例）的284例供体DLPFC样本进行snRNA-seq。分析中采用了variancePartition方差分解、dreamlet线性混合模型、对数年龄二次多项式模型、mashr经验贝叶斯共享分析、Monocle3伪时间轨迹分析、Visium空间转录组、cosinor昼夜节律建模，以及MAGMA和scDRS性状富集。外部复制数据集（306例供体）验证了年龄关联变化的可重复性。

研究结果部分，跨寿命DLPFC图谱显示，年龄在发育期解释的转录方差最大（平均4%），成年晚期次之（2%）；性状富集发现精神疾病风险基因富集于神经元亚类，而神经疾病和免疫性状富集于免疫、血管周细胞及星形胶质细胞亚类。年龄相关核组成变化分析表明，发育期至青年期为细胞组成变化最大的阶段，24岁为转折点，此后趋于稳定；IN_SST和OPC亚类在成年晚期仍持续变化，RNAscope验证了SST阳性中间神经元的对数下降和GPR37阳性少突胶质细胞的增多。跨寿命DLPFC重塑分析揭示了三个转录阶段：发育期有8,223个年龄差异表达基因（aDEGs）以神经元为主，青年和中年期仅27和1个，成年晚期出现735个aDEGs并富集于胶质细胞；发育期下调基因与精神分裂症和抑郁症风险相关。非线性基因表达轨迹分析中，约40.3%的基因–亚类组合显著变化并聚类为10条轨迹，发育aDEGs主要映射到突触和谷氨酸能相关轨迹（峰值在12–13岁），晚期aDEGs集中于胶质免疫激活轨迹，其中小胶质细胞特定轨迹与阿尔茨海默病风险相关。兴奋性神经元中的转录收敛分析通过mashr模型发现EN亚类随年龄效应共享程度增加，低共享基因呈现分歧年龄效应，而高共享基因富集DNA修复等通路，显示出从发育分歧到晚期收敛的趋势。星形胶质细胞跨寿命动态中，原浆星形胶质细胞成熟较晚且偏头痛风险评分高，发育模块与精神疾病相关，衰老模块与神经炎症相关，空间验证显示原浆型富集于皮层各层而纤维型富集于白质。小胶质细胞和少突胶质细胞动态分析表明，小胶质细胞衰老模块与免疫及AD遗传关联相关，少突胶质细胞从OPC到成熟过程中，OPC关联精神疾病和肥胖，成熟细胞关联AD。神经元谱系动态分析显示，兴奋性神经元成熟路径符合经典由内向外模式，上下层模块呈现层特异性空间富集；抑制性神经元中，CGE来源亚类变异更大，PVALB_CHC特异性成熟/衰老基因与酒精中毒和中风相关。昼夜节律重编程分析发现，青年+中年组有64个显著节律基因（69%位于上层IT EN），而成年晚期仅VCAN显著；核心时钟基因在神经元中的同步节律在晚期丧失，胶质细胞则获得未折叠蛋白反应相关的新节律。

讨论部分指出，DLPFC核组成和转录组均呈非线性变化，神经元在成年期保持转录稳定，而胶质细胞在晚期发生免疫和应激相关重编程；EN亚类在晚期收敛于DNA修复等维持基因组稳定性的通路，可能代表一种补偿性弹性机制。昼夜节律紊乱与衰老和疾病风险的关联提示节律重编程是晚期脑功能衰退的重要特征。该研究为理解细胞程序从发育弹性到衰老脆弱性的连续性转变奠定了基础，并指出发育和衰老关键拐点具有治疗干预的潜力，为制定保护脑健康、延缓认知衰退的策略提供了宝贵资源。研究结论翻译如下：该图谱为理解细胞程序从弹性向脆弱性的转变奠定了基础；研究结果突出了神经元在成年期的转录稳定性、晚期胶质重编程，以及衰老、昼夜节律紊乱和疾病风险之间的相互作用；不同的发育和衰老拐点代表了治疗干预的窗口，为保护大脑健康和减轻年龄相关认知衰退提供了关键资源。