Nature丨美国艾伦脑科学研究所揭示衰老小鼠全脑细胞特异性转录组特征

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《动物行为实验指南》共674页，涵盖了常见的实验动物，如小鼠、大鼠和斑马鱼，详细描述了每一种行为测试的实验设计、测试设备、实验流程、评估指标、预期结果、常见问题及解决方法、数据分析、模型应用与局限性等各个方面。它通过快速引导，帮助研究人员高效地掌握实验的每个阶段，减少了查阅文献和寻找方法的时间，成为各类科研人员的重要参考资料。

《动物行为实验指南》共计收录了16种动物行为类型，包括焦虑抑郁、学习记忆、痛觉、运动、恐惧、社交、癫痫、操作、成瘾、视觉、痒觉、味觉、嗅觉、睡眠、斑马鱼行为以及常见动物模型等内容。每一类动物行为下，都详细介绍了多个经典的实验范式，涵盖了超过100种实验方法。

随着年龄的增长，细胞和生物体功能的许多方面逐渐失去稳态。在许多无脊椎动物和脊椎动物物种中观察到许多衰老的主题或标志，包括基因组不稳定性，表观遗传改变，慢性炎症，细胞衰老和营养信号失调。然而，在复杂的组织类型和器官系统中，在生物体水平上控制系统衰老的机制仍然不清楚。此外，对于某些细胞类型是否比其他细胞类型更容易受到衰老的特定方面的影响，人们也知之甚少。

2025年1月1日，美国艾伦脑科学研究所曾红葵团队与Bosiljka Tasic团队合作，在 Nature 杂志发表题为《Brain-wide cell-type-specific transcriptomic signatures of healthy ageing in mice》的文章，这项研究系统地描绘了与正常衰老相关的大脑中细胞类型特异性转录组变化的动态景观，这将为研究衰老中的功能变化以及衰老和疾病的相互作用奠定基础。

全脑单细胞和原位RNA分析  

作者通过收集年轻（2月龄）和衰老（18月龄）小鼠前脑、中脑和后脑等多个大脑主要区域的样本，最终获得了约120万个高质量scRNA-Seq数据，并构建了一个全面的脑scRNA-Seq数据集。该数据集覆盖了约35%的小鼠大脑总体积，是迄今为止已发表的覆盖率最高的衰老小鼠大脑单细胞转录组数据集。利用特征性高表达基因，作者对所有细胞进行了高分辨率的聚类分析，共得到了847个细胞亚群。初步分析发现，至少有14个与年龄相关的偏好亚群，这些亚群主要归为胶质细胞类型。

衰老影响成人神经发生区中的细胞  

首先，作者检查了非神经元超型和IMN亚类中的年龄-DE基因。作者发现了大量的年龄-DE基因，这些基因在不同的细胞类型中差异很大。Augur中年龄-DE基因数量最多、AUC得分最高的超型包括那些与大脑脑室系统密切相关的超型。这些细胞类型中的许多位于大脑中成人神经发生的已知或潜在区域：纹状体的SVZ、齿状回的SGZ和下丘脑的V3，这些细胞包括伸长细胞，室管膜细胞，OB-STR-CTX Inh IMN和Astro-TE_5. V3内衬的伸长细胞。Astro-TE_5中最重要的基因表达变化是Csmd 1的减少，Csmd 1是一种与认知能力下降和退行性疾病（如帕金森氏症）以及脑补体活性和回路发育相关的基因。

此外，作者还发现Astro-TE_2和DG-PIR Ex IMN这两个小群体的细胞局限于齿状回的SGZ，与其他astro-TE超型相比，它们具有共同的标记基因，如Dscaml 1和Sox 4，随着年龄的增长比预期的更容易耗尽。这些发现表明，小鼠SGZ中的神经发生活性在18月龄时显著降低，与先前的研究一致。  

衰老少突胶质细胞的后脑富集  

在四类非神经元细胞中，OPC-寡核苷酸类具有最大数量的年龄偏向性簇，包括在转换COP、NFOL和MFOL类型中偏向成年细胞，以及在两个MOL簇中偏向衰老细胞。两个衰老富集的MOL簇816和819主要源自后脑区域。尽管在衰老的大脑中观察到衰老的星形胶质细胞和小胶质细胞，但少突胶质细胞是否随着衰老而经历细胞衰老仍然不清楚。总之，这些结果证实了先前观察到的MOL发育随年龄的减少，并鉴定了两个先前未描述的主要在后脑中发现的衰老富集的MOL簇，其中一个是Opalin阴性的，并显示细胞衰老的标志物。

室管膜细胞和伸长细胞的增龄变化  

随着年龄的增长，表现出最大转录组变化的两种细胞类型是室管膜细胞和伸长细胞，它们是一小群特化胶质细胞，排列在大脑特定区域的特定脑室中。作者发现，在这两个亚类中，年龄-DE基因和GO术语的相似集合随着年龄的增长而丰富，而不是其他的Astro-Epen子类。

考虑到V3时室管膜细胞和伸长细胞中免疫应答基因的上调，作者接下来评估了免疫细胞在该区域的募集是否随着年龄的增长而增加。虽然作者没有发现V3不同部位周围的小胶质细胞数量有明显变化，但在最腹侧的797簇附近的BAM数量明显增加（β2伸展细胞）。结合先前观察到的与其他脑区域相比，即使在正常成人组织中，CVO中的小胶质细胞和BAM活化增加，这表明，中央隆起等CVO可能是随着年龄的增长导致大脑炎症增加的区域。

下丘脑神经元能量稳态与衰老  

接下来，作者研究了神经元随年龄的变化。如上所述，下丘脑神经元以及少数其他神经元亚类中年龄-DE基因和Augur预测分数的数量最多。在作者的衰老scRNA-seq数据集中有五类下丘脑神经元，即CNU-HYa Glut、CNU-HYa GABA、HY GABA、HY Glut和HY MM Glut（MM代表乳头体内侧核）。作者进一步研究了这些神经元在集群水平，特别是那些在六个亚类，每个亚类有超过50个年龄DE基因。在许多功能中，ARH和DMH中的神经元已知在调节能量稳态和饱腹感中起关键作用。

作者发现，在具有最大数量的年龄-DE基因的簇中是Lepr+ /Glp 1 r+簇325_DMH-LHA Gsx 1 Gaba、Agrp+ /Npy+簇331_TU-ARH Otp Six 6 Gaba、簇350_ARH-PVp Tbx 3 Gaba（其显示神经肽Y的受体Npy 5 r的高表达）和簇387_PVH-SO-PVa Otp Glut（其显示Crh的特异性表达），一种编码促肾上腺皮质激素释放激素的基因。应激激素Crh是下丘脑-垂体-肾上腺轴的主要参与者，随着年龄的增长，该轴可能失调。

不同类型细胞衰老的共同特征  

最后，为了揭示在所有脑区域多种细胞类型随着衰老而发生的共同变化，作者对所有神经元和非神经元细胞类型中最常见的生物学过程进行了聚类。结果显示，许多常见的生物学过程在几种细胞类型中富集。例如，周细胞、平滑肌细胞中胶原和细胞外基质相关基因的表达减少，主要是由不同的胶原相关基因驱动。

在大多数非神经元细胞类型中，与免疫反应和细胞迁移相关的生物学过程在随着年龄增长而表达增加的基因中高度富集，特别是在包括小胶质细胞和边界相关巨噬细胞在内的免疫细胞中。其中，研究团队确定了MHC-I或MHC-II抗原呈递反应的特异性变化，这些变化在许多细胞类型中重叠。

最后，在个体基因水平上，作者发现某些神经元基因在少数神经元类型中下调，包括Robo1和Sema6d，两者都编码轴突导向蛋白。然而，大多数基因在单个神经元类型中独特地下调，进一步证明大多数神经元具有独特的衰老特征。

研究意义  

在这项研究中，作者提出了一个大规模的，全面的单细胞转录组图谱和年轻成年和老年小鼠大脑的比较分析。大量的细胞数量，高质量的转录组和使用ABC-WMB图谱的细胞类型的详细注释使作者能够精确地定位大脑中易受衰老影响的区域和细胞类型。因此，作者确定了一个大的集合基因在整个大脑的特定细胞类型中与年龄相关的差异表达。这些基因表达变化中的一些足够强以驱动转录上不同的细胞簇的出现，所述细胞簇在老年脑中富集或耗尽，包括IMN、星形胶质细胞、伸长细胞、室管膜细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞的小群体。

总结

作者提出了一个全面的单细胞RNA测序数据集，包含大约120万个高质量的单细胞RNA，两种性别的年轻成年和老年小鼠的脑细胞的细胞转录组，来自跨越前脑、中脑和后脑的区域。所有细胞的高分辨率聚类产生了847个细胞簇，并揭示了至少14个年龄偏倚的簇，其中大多数是胶质细胞类型。在更广泛的细胞亚类和超型水平上，作者发现了年龄相关的基因表达特征，并提供了2个，449个独特的差异表达基因尽管大多数年龄-DE基因对于特定细胞类型是独特的，但作者观察到跨细胞类型的衰老的共同特征，包括在许多神经元类型、主要星形胶质细胞类型和成熟少突胶质细胞中与神经元结构和功能相关的基因的表达降低，以及在免疫细胞类型和一些血管细胞类型中与免疫功能、抗原呈递、炎症和细胞运动性相关的基因的表达增加。最后，作者观察到对衰老表现出最大敏感性的一些细胞类型集中在下丘脑的第三脑室周围，包括伸长细胞、室管膜细胞和弓状核中的某些神经元类型，背内侧核和室旁核表达与能量稳态相关的基因。这些类型中的许多类型表现出神经元功能的下降，这些发现表明，下丘脑的第三脑室可能是小鼠大脑衰老的枢纽。总之，这项研究系统地描绘了与正常衰老相关的大脑中细胞类型特异性转录组变化的动态景观，这将为研究衰老中的功能变化以及衰老和疾病的相互作用奠定基础。

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