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細胞衰老是一個復雜的應激反應，影響細胞功能和機體健康。多種發育和環境因素，如輻射、氧化應激、致癌基因和蛋白質積累，激活基因和通路導致衰老。人們付出了巨大的努力來識別和描述壓力和疾病系統中的衰老基因。今天給大家分享的文獻是今年8月發表在《nature communications》（IF：17.694）上的一篇衰老相關的文章，作者開發了一個新的衰老基因集，一起來看看吧~
一個新的可識別衰老細胞并預測各組織中與衰老相關通路的基因集
背景
細胞衰老是指穩定細胞周期停滯的狀態，是對內源性和外源性應激的反應，包括DNA損傷、端粒功能障礙、癌基因激活和細胞器應激，并與腫瘤抑制、組織修復、胚胎發生和器官衰老等過程有關。細胞衰老也可以是發生在包括胚胎發育在內的多種生物過程中的一個受控程序。衰老細胞的外源性活動與衰老相關分泌表型（SASP）的激活廣泛相關，放大了細胞內源性增殖停滯的影響，并導致組織再生受損、慢性衰老相關疾病和組織衰老。目前一共有8種細胞衰老表型：復制性細胞衰老、DNA損傷誘導細胞衰老、致癌基因誘導細胞衰老、氧化應激誘導細胞衰老、化療誘導細胞衰老、線粒體功能失調相關細胞衰老、表觀遺傳誘導細胞衰老和旁分泌細胞衰老。（詳見：一文帶你了解國自然下一熱點：細胞衰老（senescence））
數據組成
1.已發表數據：
（1）RNA-seq數據：GSE72815、GSE141595、GSE141595、GSE128770、GSE94832和GSE149590
（2）scRNA-seq數據：GSE120221、GSE128423
2.自測數據：
小鼠：GSE199493
人：PRJNA826433
研究思路
本研究首先生成了一個新的衰老相關的基因集 (SenMayo)，并在人的不同組織類型數據和小鼠不同腦組織數據中進行驗證分析。然后在小鼠模型中證明SenMayo不僅與衰老有關，并且會在清除衰老細胞后降低。之后將SenMayo與其他已發表的基因集進行比較，展示其優越性。最后利用scRNA-seq數據驗證SenMayo在單細胞水平識別衰老細胞的能力，并通過RT-qPCR驗證所篩選出的關鍵分子Mif的表達變化情況。
結果
1. SenMayo的開發和驗證
為評估衰老和SASP相關途徑是否隨著人類衰老而富集，作者在兩個老年人隊列的RNA-seq數據中進行轉錄調控關系分析。結果顯示，一些炎癥和壓力相關基因（如NFKB1、RELA 和 STAT3）在老年女性中上調（圖1a-b），衰老和 SASP標志物（例如 CDKN1A/p21Cip1、CCL2 和 IL6）也在老年組中上調，（圖1c）。隨后，作者利用已發表的衰老/SASP基因集 (R-HSA-2559582) 在這兩個隊列中進行GSEA分析，但均未發現年齡相關的衰老/SASP基因有顯著變化（圖1d）。
接下來，作者生成了一組新的與細胞衰老相關的基因集。這個基因集是通過結合已發表的研究報告中富集在衰老和/或SASP分泌細胞中的基因，并且在人類或小鼠細胞中已得到實驗驗證而產生的。作者共篩選了1656項研究，在去除報告重復的研究、病例報告和非人類或非鼠類的基因后，從剩余的15項研究中最后確定了一個由 125 個基因組成的新型衰老基因組(SenMayo)，這個基因集主要由SASP因子組成，同時也包括跨膜和細胞內蛋白。結合STRING分析結果顯示，SenMayo 中細胞因子/趨化因子是連接最緊密的調節因子（圖1e-f）。此外，GSEA富集結果顯示，衰老/SASP基因在從老年女性的骨骼樣本中顯著富集（圖1g）。
2. SenMayo 適用于各種組織和物種
為評估 SenMayo在不同組織和物種中的適用性，作者接下來對來自年輕與老年小鼠腦組織的mRNA-seq數據（GSE14526533、GSE12877034、GSE9483235）進行了分析。使用SenMayo基因集進行GSEA分析的結果顯示，衰老小鼠腦細胞（小膠質細胞）和前額葉皮層、背側海馬區域的衰老/SASP基因顯著富集，而先前發表的基因集（R-HSA-2559582）則無統計學意義（圖2a-d）。由此可知，SenMayo可更有效地識別與不同組織（骨/骨髓和大腦）以及物種（人類和小鼠）衰老相關的衰老細胞。
3. SenMayo可證明衰老細胞的清除
為獨立驗證所開發的基因集，作者進一步在p16-INK-ATTAC小鼠模型數據中進行相關分析。過往研究中，已經證明Cdkn2a/p16Ink4a和Cdkn1a/p21Cip1 mRNA表達水平隨著小鼠骨骼的老化而增加，并且這些基因的mRNAs表達水平會在清除p16-INK-ATTAC小鼠的衰老細胞后減少，這與細胞衰老的其他標志物（如骨細胞中的端粒DNA損傷標志物）變化一致。圖3a-b結果顯示，SenMayo在老年小鼠骨骼中的表達水平顯著升高，并且在AP治療后的老年p16-INK-ATTAC 小鼠中顯著降低。此外，PCA結果顯示年輕組與AP治療后的年老組小鼠與年輕組與空載體處理后的年老組小鼠相比具有更高的重疊率（圖3c）。
上述部分是基于小鼠模型得出的結論，為進一步證明結論的可靠性，作者又在人類隊列上加以驗證，所用樣本源于達沙替尼和槲皮素聯合治療前和治療后11天的糖尿病腎病患者（圖3d）。結果顯示，在達沙替尼和槲皮素治療后，患者皮下脂肪組織樣本中SenMayo顯著減少（圖3e）。綜上所述，SenMayo不僅與衰老有關，并且也會在清除衰老細胞后降低。
4. SenMayo 優于現有的衰老/SASP基因集
除了將SenMayo與 R-HSA-2559582衰老/SASP 基因集進行比較外，作者還在上述所有小鼠模型和人類疾病數據中將其與另外五個衰老/SASP基因組進行了比較。結果顯示，SenMayo在識別不同組織和物種衰老細胞的能力以及對衰老細胞清除的反應方面都優于其他基因集（表1）。
5. SenMayo識別 scRNA-seq 數據集中的衰老細胞
盡管scRNA-Seq可展示單個細胞水平基因表達變化，但它在評估給定細胞中的細胞衰老方面一直存在缺陷。其中部分原因是 Cdkn2a/p16Ink4a mRNA的表達水平相對較低。為測試SenMayo是否可以在單細胞水平上識別衰老細胞，作者在單細胞水平上進行GSEA分析，結果顯示SenMayo在CD14+、CD16+單核細胞群以及巨噬細胞群中的富集分數最高（圖4a）。通過選擇衰老/SASP相關基因表達最高的前10%的細胞，作者生成了一個由6850個細胞組成的細胞簇（主要來自單核細胞），即“SASP 細胞”（圖4b）。 衰老的典型標志物（如CDKN1A/p21Cip1和TGFB1）和已發表的人類和細胞衰老相關的基因集在這些SASP細胞中表達顯著增加（表2）。此外，SASP 細胞與GenAge和CellAge這兩個衰老基因集中的基因具有強相關性（圖4b）。
細胞通訊結果顯示，SASP細胞與T細胞之間的相互作用最強，其次是單核細胞和B細胞（圖 4c）。所涉及的通路中，主要組織相容性復合體I類（MHC-I）、巨噬細胞遷移抑制因子（MIF）和血小板和內皮細胞粘附分子1（PECAM1、CD31）等通路最為顯著（圖4d-e）。進一步的分析顯示，SASP細胞的特點是以獨特的共表達模式預測功能集群（如JUN和CDKN2A），并且在SASP細胞群中JUN 和 CDKN2A/p16Ink4a 表達之間存在很強的相關性，作者推測這可能可以克服特定衰老相關基因（如CDKN2A/P16ink4A）低表達所造成的局限性（圖4f-h）。綜上，上述分析證明了 SenMayo 基因集在人類骨髓 scRNA-seq 數據集中識別衰老細胞的有效性，并確定單核細胞是SASP相關細胞比例最高的造血細胞群。。
研究表明， SASP細胞也會影響周圍的細胞。為探索這些細胞間相互作用，作者在包含來自骨髓和骨髓間充質細胞的scRNA-seq數據集中進行分析（圖 5a）。結果顯示，SenMayo高度富集的細胞（“SASP 細胞”），同樣顯著表達GenAge 和 CellAge（圖 5b）。細胞通訊結果顯示，鼠間充質SASP 細胞與骨系和軟骨細胞顯著相互作用（圖 5c），MIF和PECAM1 通路被顯著富集（圖 5d）。擬時間分析顯示，SASP細胞群主要有三個起源，即Lepr+MSCs、OLC 1和OLC 2，并在終端分支中最豐富，與Cdkn1a/p21Cip1和Trp53表達變化趨勢相吻合（圖5e）。
6.實驗驗證
基于上述分析，作者認為Mif 是一個關鍵的SASP基因，推測它應該會隨著衰老細胞負荷增加而在衰老細胞清除后減少。RT-qPCR結果顯示，與年輕小鼠相比，老年小鼠骨骼中的Mif mRNA水平增加（圖 6a）并且在老年INK-ATTAC小鼠中具有AP的衰老細胞的遺傳清除后顯著降低（圖6b）。
小結
本研究開發了一個新的衰老相關的基因集，并在不同物種和不同組織類型數據中加以驗證。與以往的基因集相比，SenMayo基因集更具優勢，并且可以在單細胞水平有效識別衰老細胞。
最后，我們一起來看看目前的一些衰老研究思路吧~
衰老相關研究思路
思路一：衰老與非腫瘤疾病（詳見：疾病頂刊收錄相關文章，細胞衰老熱度勢不可擋）
摘要：該研究旨在探討成纖維細胞樣滑膜細胞（FLS）及其衰老在骨關節炎（OA）進展中的作用和調節機制。在患者和小鼠模型中，隨著OA的進展，衰老的FLSs顯著增加。作者確定OA-FLS中發生自噬受損，導致衰老相關分泌表型（SASP）上調，自噬的重建通過抑制GATA4逆轉衰老表型。此外，作者首次觀察到過度m6A修飾對OA-FLS中的自噬產生負調控。該研究揭示了FLS衰老在OA進展中的重要作用。在實驗動物模型中，靶向METTL3抑制可以緩解FLS的衰老，限制OA的發展，為OA治療提供了一種潛在的策略。
思路二：衰老與腫瘤（詳見：細胞衰老研究如何切入？PNAS最新研究給你答案）
摘要：作者利用體細胞組織工程開發了一種快速靈活的免疫功能小鼠模型，并且分析結果揭示了對常規化療和免疫檢查點封鎖的決定因素的機制的見解。結果識別了一種基因型依賴的治療誘導的細胞衰老程序，該程序介導了一線化療的敏感性和耐藥性，指出利用衰老程序對免疫檢查點封鎖敏感的策略。
思路三：衰老相關landscape研究（詳見：跟某大佬哈了半天酒，得到的熱點：細胞衰老）
摘要：文章所使用的數據包括GTEx 50個正常組織的RNA-seq數據；大腦、睪丸和胰腺單細胞RNA-seq數據；包含6個組織的空間轉錄組數據。方法核心思想是共表達網絡，而使用到的具體方法是MEGENA，以研究SnGs共表達特征及其細胞類型特異性。
參考文獻
