撰文 | 春曉
哺乳動物大腦的再生能力有限,在整個生命週期中,多種多樣的腦細胞例如神經元以及非神經元細胞包括少突膠質細胞、小膠質細胞、星型膠質細胞等忠實地履行著它們複雜的功能,功能損傷在漫長的歲月中日積月累,導致隨著年齡的增加,與衰老相關的神經退行性疾病患病率也越來越高。
腦衰老的重要假說之一是腦組織穩態環境被打破,與年齡和神經病變相關的神經元和突觸功能發生變化,觸發非神經元細胞的炎性激活。最近的轉錄組學研究也支持了這一觀點。同時也帶來了一些問題:不同細胞類型和細胞狀態的分子標記和空間組織如何隨年齡變化?這些變化與衰老誘導的炎症激活有何關係?活化的細胞是如何在空間上分佈的?這種活化是否取決於環境因素以及細胞間的通訊?衰老誘導的炎症與全身炎症反應有何關係?回答這些問題是具有挑戰性的,因為大腦細胞的多樣性和分子組織的複雜性阻礙了我們對大腦結構系統變化的全面理解,限制了我們對衰老過程中腦功能下降潛在機制的解析。
2022年12月28日,來自哈佛大學的William Allen、Catherine Dulac和莊小威研究小組在Cell雜誌上發表題為Molecular and spatial signatures of mouse brain aging at single-cell resolution的Resource文章,這篇文章通過衰老小鼠腦的單細胞轉錄組成像和測序系統表徵了細胞空間和細胞類型特異性變化,揭示了神經元和非神經元細胞中與衰老相關的變化,並揭示了衰老過程中神經膠質細胞和免疫細胞活化的分子和空間特徵。
作者首先利用單核RNA測序(snRNAseq)描繪了1月齡和21月齡小鼠的額葉皮質和紋狀體的單細胞轉錄譜,通過MERFISH進行空間解析度的單細胞轉錄組檢測,分析產生了212個細胞類型標誌物和204個衰老相關基因,使用Harmony演算法【1】將MERFISH和snRNA-seq資料共同嵌入,並進行綜合聚類分析,共產生43種神經元和非神經元細胞類型(圖1)。
圖1:小鼠額葉皮層和紋狀體的空間分辨單細胞轉錄組分析
接下來,作者根據MERFISH的資料分析了各腦區細胞組成和狀態的變化。神經元簇未顯示任何顯著的丰度變化,衰老組中,少突膠質細胞的丰度增加,而少突膠質細胞前體細胞的丰度顯著降低,少突膠質細胞炎性活化。小膠質細胞、內皮細胞和星形膠質細胞也表現出年齡依賴性的群體變化,包括炎性活化、T細胞浸潤。
為了能夠實現細胞整體空間組織的視覺化,作者根據細胞在其空間鄰域中的組成進行了分級聚類,得到的空間聚類自然地將成像區域分割成已知的解剖結構,包括軟腦膜、皮質層、胼胝體、紋狀體、腦室和皮質下嗅區。與預期一致,不同的興奮簇在皮層中呈層狀分佈,例如,中棘神經元定位於紋狀體,少突膠質細胞在胼胝體中富集,而少突膠質細胞前體細胞、星形膠質細胞、小膠質細胞和內皮細胞在整個成像區域基本均勻分佈,胼胝體中星形膠質細胞狀態隨著動物衰老而發生變化。
基於snRNA-seq資料,作者還確定了幼年和衰老動物在個體神經元和非神經元細胞類型中差異表達的基因數量。與神經元相比,非神經元細胞傾向於表現出更多的年齡依賴性差異表達基因,許多年齡依賴性基因以細胞類型特異性方式差異表達,神經元(尤其是抑制性神經元)中隨年齡上調的基因富集在與神經變性疾病、氧化反應和線粒體功能相關的途徑中,而非神經元細胞中隨年齡上調的基因傾向於與炎症和免疫反應相關。GO和KEGG富集分析顯示,神經元(尤其是抑制性神經元)中隨年齡上調的基因富集在與神經退行性疾病、氧化反應和線粒體功能相關的途徑中,而非神經元細胞中隨年齡上調的基因主要與炎症和免疫反應相關。許多衰老上調的基因表現出特定的空間模式,尤其是少突膠質細胞、星形膠質細胞和小膠質細胞,相對於其他解剖學區域,胼胝體白質中隨年齡增長差異表達基因數量最多。同時,胼胝體白質是衰老相關膠質細胞和免疫細胞活化的熱點。
星型膠質細胞和小膠質細胞會隨著年齡的增加而活化,與腦部炎症有關,於是作者想到一個有趣的問題:這種腦炎與全身炎症是不是一回事。LPS是一種腦炎模型,它不會穿過血腦屏障【2】,但它會引起外周免疫細胞全身釋放的細胞因子和趨化因子激活腦部小膠質細胞和星型膠質細胞,作者對比了未處理組和LPS處理組小鼠的MERFISH結果,發現細胞類型的組成和整體空間的組織高度相似,相似之處在於都存在星型膠質細胞的活化及在腦脊液-腦屏障處的富集,區別的地方是衰老會獨特地誘導小膠質細胞的活化。衰老與LPS誘導的腦炎症既有相似性又有差異性。
圖2:單細胞解析度下小鼠腦衰老的分子和空間特徵
總而言之,作者使用空間分辨的單細胞轉錄組學系統地展示了小鼠額葉皮質和紋狀體腦細胞的分子特徵和空間組織在衰老中的變化。通過整合snRNAseq和MERFISH資料生成了一個空間分辨的衰老腦細胞圖譜,其中包含與每個細胞相關的全基因組表達譜。觀察到非神經元細胞在細胞狀態、基因表達和空間組織方面的變化比神經元明顯得多。揭示了衰老過程中膠質細胞和免疫細胞活化的分子和空間特徵,這些結果為研究衰老相關的大腦功能衰退和炎症提供了重要的見解。
原文連結:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.010
製版人:十一
參考文獻
1. Korsunsky, I., et al. (2019). Fast, sensitive and accurate integration of single-cell data with harmony.Nat. Methods16, 1289–1296.
2. Batista, C.R.A. , et al. (2019). Lipopolysaccharide-induced neuroinflammation as a bridge to understand neurodegeneration.Int. J. Mol. Sci.20, 2293