Cell：劉光慧教授團隊解碼衰老機制和干預丨CellPress對話科學家

近日，中國科學院動物研究所劉光慧教授課題組於Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell（《細胞》）上發表兩篇論文（其中一篇登上2月6日出版的Cell期刊封面）。Cell Press細胞出版社微信公眾號特別邀請劉光慧教授進行了專訪，請他就這兩篇論文以及其課題組目前的研究進展進行了深入探討。

兩篇Cell論文研究介紹：

Cell文章（1）

Single-Cell Transcriptomic Atlas of Primate Ovarian Aging

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卵巢是重要的女性生殖器官，其不僅是卵母細胞的來源，而且是雌性激素的主要分泌器官，在維持雌性生殖力與內分泌穩態方面都具有不可或缺的作用。卵巢在30歲後即呈現顯著的功能衰退，是機體衰老過程中較早出現退行性變化的器官之一，其衰老表現包括的卵母細胞數量減少、質量下降，及雌性生殖力降低等[1][2][3]。因此，對於卵巢衰老的機制的深入瞭解至關重要。卵巢結構複雜，細胞組成具有高度異質性，其中包括多個處於不同發育階段的卵泡，傳統的RNA測序技術在準確揭示細胞型別特異性的基因表達方面有較大的侷限性[4]。此外，由於倫理及樣本來源的限制，將人類的正常卵巢組織用於卵巢生理性衰老的研究難度較大，這在一定程度上限制了人們對人類卵巢衰老機制的深入理解，並進一步制約了女性卵巢衰老及相關疾病干預手段的發展。

中國科學院動物研究所劉光慧研究組、曲靜研究組、北京大學湯富酬研究組及美國索爾克生物學研究所等科研機構合作，發表了其在靈長類器官衰老研究領域的最新進展。該研究利用高精度單細胞轉錄組測序技術首次繪製了食蟹猴卵巢衰老的單細胞圖譜，同時利用人類卵巢細胞研究體系，發現增齡伴隨的抗氧化能力的下降是靈長類卵巢衰老的主要特徵之一。

圖1.靈長類卵巢衰老高解析度單細胞轉錄組圖譜研究

本研究登上2020年2月6日出版的Cell（封面故事）

研究者採用單細胞轉錄組測序技術繪製了年輕與年老的非人靈長類（NHP）食蟹猴的卵巢中單細胞水平的轉錄本圖譜，系統地揭示了具有不同基因表達特徵的7種卵巢細胞型別，包括卵母細胞和6類卵巢體細胞，鑑定並驗證了多個卵母細胞特異的新型標誌基因。對卵母細胞基因表達動態變化的深入研究顯示，卵母細胞的發育可按順序依次分為4個階段。進一步的分析發現，早期卵母細胞和顆粒細胞中的抗氧化訊號顯著變化，說明相比於中晚期的卵母細胞而言，早期卵母細胞對衰老相關的氧化應激更為敏感。並且，該項研究發現在衰老過程中顆粒細胞的氧化損傷增加，伴隨著促凋亡基因表達上調、氧化還原酶相關基因表達下調。在此基礎上，鑑定出IDH1和PRDX4等氧化還原調控基因是顆粒細胞衰老的新型分子標誌物。

為深入探究人類卵巢衰老是否也發生了與食蟹猴相似的細胞分子事件，研究人員從進行輔助生殖技術治療的健康女性的卵泡液中分離了顆粒細胞。利用這些細胞，驗證了前述增齡相關細胞氧化損傷的增加以及新型衰老標誌物的表達變化等現象。同時，在人類顆粒細胞中證實了氧化還原基因表達改變與細胞凋亡及線粒體功能紊亂之間的因果聯絡。此項研究在單細胞水平為靈長類卵巢衰老的機制研究提供了深入的理解，為衰老相關的卵巢疾病提供了全新的診斷標記和潛在的治療靶點。

中科院動物所王思副研究員、北京大學博士生鄭宇軒、中科院動物所李靜宜副研究員、北京大學第三醫院於洋研究員和中科院北京基因組所張維綺研究員為並列第一作者。中科院動物所周琪院士、北京大學第三醫院喬傑院士、宣武醫院陳彪教授以及中科院動物所宋默識研究員為本文的共同高階作者。該專案獲得國家科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等專案的資助。

Cell文章（2）

Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape ofRattus NorvegicusAging

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增齡伴隨的多器官漸進性功能衰退，是一系列衰老相關重大疾病（如神經退行性疾病、心血管疾病和糖尿病等）的關鍵誘因[5][6]。在衰老幹預方面，卡路里限制（即節食）在多個物種中被證明是延緩衰老的重要途徑[7]，但其具體作用機制，特別是組織細胞特異的分子機制，尚不明確。

中國科學院動物研究所劉光慧研究組、曲靜研究組，中國科學院基因組研究所張維綺研究組，同美國索爾克生物學研究所等科研機構合作，繪製了首個哺乳動物衰老和節食的多器官單細胞轉錄組圖譜，從不同維度系統地評估了衰老和節食對機體不同型別組織細胞的影響。該研究以齧齒類動物大鼠（Rattusnorvegicus）為研究物件，基於高通量單細胞和單核轉錄組測序技術，揭示了節食透過調節多組織的免疫炎症通路進而延緩衰老的新型機制。

圖2. 衰老和節食影響大鼠多組織穩態的系統生物學研究

該研究首次發現從中年期開始對大鼠進行“七分飽”干預（任意進食量70%的卡路里攝入量）可以降低其組織、細胞和分子水平的衰老指徵，使其壽命明顯延長。研究者基於對年輕任意進食組、年老任意進食組和年老節食組動物的9個組織20多萬個單細胞及細胞核的轉錄組分析，繪製了衰老和節食狀態下不同器官穩態的分子網路圖譜。該圖譜顯示，所有的組織中都發生了衰老相關的細胞型別組成的改變，而且這些變化中半數以上能夠被節食所抑制。其中，衰老大鼠體內多種器官與組織中中性粒細胞和漿細胞等免疫細胞數量顯著增多，促炎型巨噬細胞（M1）相對於抗炎型巨噬細胞（M2）的比例也有所增加，說明多組織炎症壓力的增加是衰老的標誌性特徵。節食能夠有效逆轉此免疫細胞比例的異常變化，並逆轉衰老引起的基因表達差異，這些基因主要富集在炎症反應和脂質代謝方面，如S100a8等促炎因子。進一步的研究發現調節mRNA轉錄、剪接和翻譯的蛋白Ybx1可能是介導多器官衰老，且受節食調控的關鍵性節點分子。研究團隊發現衰老能夠導致多種組織中的細胞間通訊過載，這一過程能被節食所抑制，此結論與細胞組成水平和基因表達水平的結論一致。

該研究透過多種技術聯合應用，首次在多器官、多組織層面系統地解析了機體衰老的細胞和分子變化規律，揭示了慢性炎症是哺乳動物機體和器官衰老的共性特徵，為衰老預警提供了新型生物學標誌物。同時，該研究也揭示免疫調節系統在節食干預衰老程序中起重要作用，為進一步發展衰老及其相關疾病的干預策略奠定了理論基礎，在科學應對老齡化方面具有重要價值。

中科院動物所馬帥助理研究員、中科院生物物理所孫淑慧助理研究員、首都醫科大學宣武醫院耿令令副研究員以及中科院動物所宋默識研究員為並列第一作者。中科院動物所周琪院士、首都醫科大學宣武醫院陳彪教授以及浙江大學郭國驥教授為共同高階作者。該研究獲得國家科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等專案資助。

Cell Press微信公眾號特別邀請劉光慧教授代表團隊接受了專訪，請他進一步為大家深入解讀這兩篇論文。

文章（1）：Single-Cell Transcriptomic Atlas of Primate Ovarian Aging

文章（2）：Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape ofRattus NorvegicusAging

Cell Press：文章（1）的研究是非人靈長類器官衰老的高精度單細胞轉錄組圖譜研究的首次報道，您覺得利用靈長類動物研究器官衰老的意義是什麼？

劉光慧教授：衰老是人類慢性疾病的最大的危險因子。衰老主要表現為器官和組織隨著增齡而出現的漸進性功能衰退。理解機體衰老和老年疾病發生的機制，必須從認識器官衰老開始。認識卵巢的衰老機制對於理解女性健康和生殖力的增齡性減退具有重要的意義。然而，在臨床上獲得完全健康的年輕和年老女性的卵巢組織用於科學研究幾乎是不可能的。而靈長類動物模型提供了最接近人的卵巢衰老研究體系，在卵巢的形態結構、生理週期、激素分泌等方面都與人類更為相似，因此基於靈長類動物模型的高精度單細胞轉錄組研究將為認識人類卵巢衰老的機制，發展衰老相關疾病的干預、乃至生育力儲存及恢復手段等提供重要線索。

Cell Press：卵巢是結構複雜的組織，卵巢內細胞具有高度異質性，包含不同細胞型別和處於不同發育階段的卵泡，因此傳統的研究技術難以精確揭示卵巢衰老過程中不同細胞型別的衰老規律及分子調控機制。為揭示卵巢衰老在單細胞水平的分子機制，您的團隊為此研究運用了什麼創新的技術？

劉光慧教授：單細胞轉錄組高通量測序技術自2009年由湯富酬教授等在國際上首次建立以來，經過不斷的創新和發展，目前廣泛應用於各種複雜的生物學問題的系統研究中。目前最常用的兩種單細胞轉錄組擴增建庫技術為Smart-seq2和10X Genomics，前者只能對單個細胞進行建庫，成本較高，且建庫通量較低；而後者運用晶片技術適用於細胞量多的樣本，對卵細胞這種數量稀少且細胞體積大的樣本也不適用。我們採用了北京大學湯富酬課題組建立的最佳化的單細胞轉錄組擴增技術，在反轉錄的引物中引入了細胞標籤序列，既實現了對卵細胞和體細胞的同時分析，也達到測序資料質量和通量的平衡。此研究透過口吸管手動挑取狀態好的單細胞，一方面保證了較高的轉錄本捕獲率，有助於獲得高質量轉錄組資料，另一方面平衡了分析的細胞通量和成本問題，能以較低的成本進行數千個細胞的規模建庫，增大采樣量。

Cell Press：基於單細胞基因表達水平，本項研究解析了處於不同階段性發育變化的4個卵母細胞亞群，並揭示了重要轉錄因子在這些亞群中的協同調控機制。此卵母細胞亞群的分類與研究對於卵巢衰老的基礎或臨床研究有哪些意義？

劉光慧教授：卵母細胞作為卵巢中最為重要的功能細胞，其衰老會引發卵泡庫的耗竭以及卵巢的整體衰老。我們的研究基於基因表達譜的特徵初步實現了單細胞解析度上的卵母細胞亞型分類。因為只有實現了這種分類，才能進行細胞亞型特異的衰老變化基因分析，進而揭示細胞亞型特異的衰老變化規律。這樣一方面可以為臨床診斷提供細胞亞型特異的衰老標誌物，另一方面能夠基於細胞亞群特異的衰老機制發展更具針對性的干預手段。例如，我們發現在早期卵母細胞中抗氧化基因表達發生下調，提示這些基因可以作為早期卵母細胞衰老的標誌物進而實現卵巢衰老的預警。對於臨床研究而言，這些研究結果提示針對早期卵母細胞發展適宜的抗氧化干預，可能有助於提高早期卵母細胞庫的質量，改善老年卵巢的生理功能。

Cell Press：文章(1)的研究篩選到顆粒細胞衰老的新型分子標誌物：IDH1和PRDX4等氧化還原調控基因。這些新型生物標誌物的發現能夠對卵巢衰老的其他研究提供哪些啟發？

劉光慧教授：氧化應激的增加被認為是衰老的一個重要特徵。我們觀察到在年老卵巢的顆粒細胞中，氧化還原調控基因表達下調，這伴隨著細胞氧化損傷的增加以及細胞凋亡。這些新型分子標誌物可能有助於輔助生殖過程中卵巢質量及其微環境支撐能力的評估，也有可能被應用於生育力儲存及後期恢復後的質量評估或者衰老相關干預的預後效果評價。此外，針對顆粒細胞抗氧化能力的下降，以及氧化還原調控基因的表達下調，還可以開展相關的藥物和基因治療等轉化研究，透過靶向卵巢微環境中的氧化壓力所致的損傷，實現卵巢衰老及相關疾病的干預。

Cell Press：在文章（2）的研究中，您的團隊對大鼠9個組織20多萬個單細胞進行轉錄組分析，繪製了衰老和節食狀態下不同器官的基因表達圖譜。為實現此圖譜的繪製，研究團隊為此採用了10X測序技術。能否請您談一談文章（1）與文章（2）中採用不同單細胞測序技術的原因。

劉光慧教授：10XGenomics單細胞轉錄組測序技術基於微流體雙十字交叉技術自動分選並透過barcode磁珠標記單細胞。之所以在這篇文章採用此技術，主要考慮到其兩個優勢：1）通量大，單個細胞成本低，建庫流程簡便快捷，可同時捕獲成千上萬個細胞儘可能保證平行性。2）由於隨機捕獲大量細胞，更好地反映衰老過程中相同組織部位不同樣品之間細胞比例的變化。本課題需要同時平行分析大量衰老和節食動物的多器官多組織樣本，且希望獲得細胞比例變化的資訊，因此10XGenomics是相對更好的選擇。

Cell Press：文章（2）的研究揭示了炎症是哺乳動物機體和器官衰老的共同特徵，發現了促炎因子S100a8可以作為衡量機體衰老程度的潛在生物標誌物。您認為此項研究對於衰老和老年疾病的臨床研究有何啟發？

劉光慧教授：獲得易於檢測的、可靠的衰老標誌物是老年基礎和轉化醫學研究的基礎，是實現衰老及相關疾病預警及干預的前提。透過多器官單細胞轉錄組的研究，我們發現S100a8在衰老個體的多種細胞型別中表達上調，且可以分泌到血清中（方便檢測），同時在節食條件下被抑制，說明S100a8可作為衰老程度和衰老幹預評價的一個潛在的臨床指標。事實上，我們在不同器官、組織和細胞水平也鑑定出一系列受衰老和節食調節的其他分子標記物，如S100a9, Igkc, Ybx1等等。這些標記物，尤其是那些可以分泌到血液或尿液中的因子（或其組合），都有可能被用作評價機體衰老狀態的生化指標。需要指出的是，此研究主要基於齧齒類動物模型，我們還將在人類群體中進行相應的驗證。

Cell Press：文章（2）首次揭示免疫系統在節食干預衰老程序中的作用，能否請您談一談代謝干預對於衰老有關的免疫應答的影響？

劉光慧教授：我們在不同層面研究了代謝干預對衰老相關免疫應答的影響。首先，節食可以抑制50%以上衰老伴隨的細胞比例變化，其中主要表現為抑制免疫調節細胞（如中性粒細胞，漿細胞）在衰老組織中的聚集。其次，節食還能夠降低組織內促炎型巨噬細胞（M1）和抗炎型巨噬細胞（M2）的比例來抑制炎症。再次，衰老在多種組織和細胞型別中均導致免疫應答相關基因和通路的紊亂，而這些紊亂在很大程度上可以被節食逆轉。最後，衰老引起多種組織中的細胞間通訊的過載。主要表現為多種與免疫細胞活化相關的細胞因子及其受體的表達異常增強，而這些異常增強的細胞間相互作用也能被節食所抑制。這些結果均表明，代謝干預可以在分子、細胞、組織和器官各個層次消除衰老導致的免疫應答紊亂，這為有針對性的發展衰老及其相關疾病的干預策略提供了思路。

Cell Press：能否請您談一談您的團隊下一步的研究方向如何？

劉光慧教授：在系統水平揭示靈長類動物衰老的異質性和複雜性是我們感興趣的方向之一。實驗室一直致力於結合最新的生物學技術，發掘可以真實反映人類生物學年齡的衰老標誌物，從而實現對個體衰老程度的科學評估。此外，我們也在努力解析人類衰老的不同層面的驅動力。由於衰老受遺傳背景、外界環境和生活方式等複雜因素的影響，因此尋找衰老的驅動力，闡明衰老的遺傳及環境（表觀遺傳）作用機制和分子細胞調控網路，是干預衰老的理論基礎。同時，我們也在積極探索藥物、（幹）細胞及基因治療等干預策略對於延緩機體衰老及防治衰老相關疾病的潛力，以推動衰老生物學從基礎研究向臨床應用的轉化。

Cell Press：您的團隊致力於解碼衰老的遺傳和表觀遺傳資訊，研究人類衰老和老年病的遺傳和表觀遺傳學基礎，探索延緩衰老和防治老年疾病的方法。您認為人類衰老領域的研究未來有什麼樣的發展趨勢？

劉光慧教授：未來的衰老研究領域將越來越基於多模型、多組學，以及依託大資料整合研究，最終呈現出交叉學科融合的發展趨勢：

多模型：研究動物模型的多元化，包括非哺乳類模式生物、齧齒類動物、靈長類動物及人類生理病理學組織樣品等，將協同促進我們對複雜化、多樣化衰老過程共性及物種特異性變化規律的認識，從而深入闡明人類自身衰老的規律，為衰老和相關老年疾病的防治提供理論基礎。
多組學：個體、器官、組織和細胞的衰老均具有較強的異質性與複雜性，不同組織器官在衰老的過程中往往呈現出不同的細胞分子變化規律。隨著測序技術的發展，未來透過整合單細胞、基因組、表觀基因組、巨集基因組、蛋白質組、代謝組等多層次組學的聯合分析，能夠更好地從系統水平認識和解析衰老。
大資料：加強衰老、衰弱、老年疾病的人群佇列研究，構建相應的生物學資料庫及系統分析平臺，促進基於大資料的衰老規律解讀。
學科交叉：研究重點“由治療向預防”的轉變，推動“衰老研究領域”整體研究戰略支點前移。將促進衰老生物學與老年醫學、老年學、人口學、營養學、預防醫學、運動醫學、護理學等學科的交叉與融合。

關於劉光慧教授

劉光慧，中國科學院動物研究所研究員，膜生物學國家重點實驗室副主任，國家自然科學基金委傑出青年基金獲得者，創新群體負責人，萬人計劃科技創新領軍人才。現任中國細胞生物學學會衰老細胞生物學分會（CSACR）會長，國際健康與壽命研究學會（Academy for Health & Lifespan Research, AHLR）共同創始人/科學理事，Protein & Cell副主編，Stem Cell Research & Therapy副主編，Cell Reports編委，Aging Cell編委。獲中國青年科技獎特別獎，談家楨生命科學創新獎，顧孝誠講座獎，首屆老年醫學傑出貢獻獎等榮譽。

代表性成果：

（1）衰老及疾病機制：建立首例長壽基因敲除猴模型，揭示靈長類和齧齒類動物在衰老調節通路方面的差異（Nature 2018，中國生命科學十大進展）；系統性建立人類衰老及疾病的幹細胞研究體系，揭示細胞核和表觀遺傳改變是衰老及相關疾病的共性特徵，發現一系列延衰防病的化合物（Cell2016，Science2015，Nature2012，Nature 2011，Cell Res2016,Nat Commun2015，Nat Commun2014, Protein Cell2019，Aging Cell2018）；

（2）衰老標誌物：首次繪製靈長類卵巢衰老的高精度單細胞轉錄組圖譜，揭示抗氧化基因表達的下調是卵巢衰老的主要特徵（Cell2020a，封面文章）；繪製首個哺乳動物衰老和節食的多器官單細胞轉錄組圖譜，鑑定出一系列器官、組織和細胞型別特異的衰老標誌物，揭示節食透過抑制多組織炎症進而延緩衰老的新型機制（Cell2020b）；發展新型染色質三維動態成像工具TTALE，揭示核仁核糖體DNA重複序列的減損是衰老的新型標記物（Cell Res2017，封面文章）。

（3）幹細胞和基因治療：利用HDAdV首次在人類疾病幹細胞中實現致病基因突變的精準高效矯正，成功編輯或修復10餘種致病基因突變(Cell2016,Science2015,Cell Stem Cell2019,Cell Res2017,Cell Stem Cell2014，Nat Commun2015,Nat Commun2014,Protein Cell2020，Protein Cell2017，Cell Stem Cell2011)；利用基因編輯技術成功改寫人類基因組遺傳密碼中的少數核苷酸，獲得首例遺傳增強的幹細胞及血管細胞，用於血管退行和損傷性疾病的治療（Cell Stem Cell2019，封面文章;Cell Res2017）；發現系列人類幹細胞“年輕因子”，為骨關節炎的基因治療提供全新思路和靶標（Nat Commun.2019;PLoS Biology2019;Cell Reports2019）。

本文參考文獻

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