在一项发表于《Science》期刊上的研究中,洛克菲勒大学单细胞基因组学与种群动力学实验室负责人Junyue Cao及其团队使用单细胞测序技术,对小鼠生命五个阶段的每个主要器官进行了详尽分析。这项研究涉及约2100万个细胞,构建了目前世界上最大的单一研究细胞图谱,论文标题为“A panoramic view of cell population dynamics in mammalian aging”。
研究背景与方法
Cao实验室致力于探索单细胞水平上的基因表达和分子动力学,以揭示不同细胞的身份及其随时间的变化。在这项新的研究中,他们扩展了之前开发的单细胞测序方法——EasySci,使之适用于多种哺乳动物器官,并系统地分析了整个生物体的衰老机制。
关键发现
1. **细胞群体的同步变化**:
- 研究人员发现,在生命的特定阶段,各个器官中的某些细胞群体会同时发生显著变化。这些变化并非线性进行,而是由特定分子线索触发的发育阶段。
- 例如,在成年早期(3至12个月),脂肪、肌肉和上皮组织中的特定细胞亚型数量明显下降;而在成年晚期(12至23个月),免疫细胞的数量激增。
2. **关键时间窗口**:
- 研究确定了显示不同细胞群体发生强烈变化的关键时间窗口,这为干预衰老过程提供了重要线索。
- 特别是免疫细胞在晚年显示出群体激增,可能导致炎症和自身免疫疾病。通过研究两只缺乏这些细胞的免疫缺陷小鼠,研究人员发现B细胞和T细胞的耗竭可以逆转其他几种与衰老相关的细胞类型变化。
3. **性别差异**:
- 雄性和雌性小鼠在每个器官中存在数百种不同的细胞状态,包括表现出不同分子状态的脂肪细胞祖细胞,以及雌性特异性扩增的老化相关B细胞。
- 这些年龄和性别差异可能解释了为什么女性,特别是老年女性,患自身免疫疾病的几率高于男性,并强调了在衰老和疾病研究中保持性别平衡的重要性。
4. **新细胞类型的识别**:
- 研究还发现了非常小的新细胞类型簇,其中一些含有少至500个细胞,如垂体细胞,它们分泌对生长、生殖发育和器官功能至关重要的激素。
#### 技术进步与未来展望
Zehao Zhang改进了EasySci技术,使其成为针对主要哺乳动物器官的统一分析平台,能够系统地分析整个生物体的衰老和疾病机制。PanSci数据集不仅代表了有史以来最大的哺乳动物衰老单细胞测序图谱,而且为未来的深入研究奠定了基础。
Cao实验室计划利用这一资源更深入地研究那些在雄性和雌性小鼠之间显示出强烈差异的细胞亚型,以及参与衰老过程的未表征或未充分研究的亚型。此外,该数据集适合训练大型机器学习模型,用于年龄预测、寻找稀有细胞类型及虚拟细胞构建等应用。
综上所述,这项研究为理解哺乳动物衰老过程中细胞群体的动态变化提供了前所未有的见解,并为开发延缓甚至重新编程衰老过程的方法开辟了新的路径。