Nature：迄今覆盖率最高的衰老小鼠大脑单细胞转录组图谱，系统解析衰老相关细胞类型及特异性转录组特征

近年来，对大脑衰老和神经退行性变的研究已经揭示一些大脑衰老的特征，包括由小胶质细胞和其他类型胶质细胞介导的慢性炎症、异常的神经网络活动、细胞衰老等，但现阶段对大脑这种复杂且异质性较高的器官如何衰老的认识仍然非常有限。

近日，美国艾伦脑科学研究所曾红葵团队与Bosiljka Tasic团队合作在Nature发表了题为“Brain-wide cell-type-specific transcriptomic signatures of healthy ageing in mice”的文章。该研究基于约120万个小鼠脑细胞的单细胞转录组测序（scRNA-Seq）数据，系统描绘了大脑中与正常衰老相关的细胞类型的特异性转录组的动态变化，揭示了衰老相关的细胞亚群以及特征性基因表达，还发现了一些对衰老敏感的细胞类型。

研究人员通过收集年轻（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，研究人员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。

研究人员计算了年龄相关差异表达（age-DE）基因情况，发现在所有细胞类型中观察到age-DE基因的数量范围很广，且在许多非神经元细胞类型中观察到更多的age-DE基因。进一步分析发现，大多数age-DE基因仅在一个或两个细胞亚类中具有显著性，这表明大多数age-DE基因是细胞类型特异性的。这些结果也表明，不同的细胞类型表现出独特的年龄相关基因表达谱。

图1. 年轻和衰老小鼠大脑的细胞类型

已有研究报道衰老会导致大脑微血管完整性和功能的丧失，研究人员基于此分析了血管细胞类型的年龄相关变化，包括蛛网膜屏障细胞、平滑肌细胞和周细胞等。研究在所有血管细胞类型中观察到不同的age-DE基因，显示出了不同类型的生物过程和分子功能的富集。研究还观察到内皮细胞中Fmo1和Fmo2的表达随着年龄的增长而增加，而人类FMO基因的表达也与多种神经系统疾病相关。此外，研究发现与年龄相关的脑血管完整性损失可能更多地受到周细胞损失的影响，而不是血管的其他细胞类型。

图2. 非神经元细胞的age-DE基因

研究团队还探讨了下丘脑神经元随年龄的变化。在衰老的脑scRNA-seq数据集中，下丘脑神经元共有5大类，有29个亚类显示出独特的标记基因表达，代表了成年小鼠下丘脑中细胞类型的复杂性。age-DE基因数量最多的亚类是下丘脑靠近V3的区域。此外，随着年龄的增长，昼夜节律基因出现了上调，参与神经元结构和突触信号传导的基因出现了下调。原位表达分析结果也证实，随着年龄的增长，昼夜节律调节基因Bhlhe41的表达增加，细胞周期基因Ccnd2和代谢性谷氨酸受体Grm8的表达减少。

图3. 下丘脑神经元表现出最大的年龄相关变化与能量稳态有关

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，研究人员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。研究发现，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。

研究进一步分析发现，在神经元中，最常见的富含age-DE基因的生物学过程与神经元发育、功能和结构有关，并且主要富集在随着年龄增长而表达减少的基因中。此外，大多数基因在单个神经元中是唯一下调的，进一步表明大多数神经元具有独特的衰老特征。

图4. 神经元功能下降和免疫活动增加是脑细胞衰老的共同特征

该研究构建了一个大规模的、全面脑细胞单细胞转录组图谱，比较了年轻和衰老小鼠的脑细胞差异，系统地描绘了与正常衰老相关的脑细胞类型特异性转录组的动态变化，以及大脑中易受衰老影响的区域和细胞类型。该研究结果将为神经科学和衰老研究提供基础资源，以促进对大脑和身体中年龄相关表型以及衰老与各种疾病之间相互作用的精细研究。

论文原文：

Jin, K., Yao, Z., van Velthoven, C.T.J. et al. Brain-wide cell-type-specific transcriptomic signatures of healthy ageing in mice. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08350-8.