English文献解读|Cell（66.850）：单细胞分辨率下小鼠脑老化的分子和空间特征
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论文ID
原名：Molecular and spatial signatures of mouse brain aging at single-cell resolution
译名：单细胞分辨率下小鼠脑老化的分子和空间特征
期刊：Cell
影响因子：66.850
发表时间：2022.12.28
DOI号：10.1016/j.cell.2022.12.010
背 景
大脑中细胞的多样性和组织的复杂性阻碍了对脑细胞和分子结构年龄相关变化的研究，限制了对脑衰老过程中功能下降的潜在机制的理解。作者使用空间分辨的单细胞转录组学生成大脑额叶皮层和纹状体老化的高分辨率细胞图谱，并量化了在小鼠寿命期间这些区域中主要细胞类型的基因表达和空间组织的变化。作者揭示了衰老过程中神经胶质细胞和免疫细胞活化的分子和空间特征，并确定了衰老和炎症诱导的细胞活化模式的相似性和差异性，为炎症和大脑衰退提供了关键的见解。
实验设计
结 果
01
衰老大脑空间分辨的单细胞转录组学分析
探测出生后4周龄（幼年）和90周龄（老年）小鼠额叶皮层和纹状体的单细胞转录组谱（snRNA-seq）（图1A和1B）。使用Harmony算法共同嵌入MERFISH和snRNA-seq数据，进行综合聚类分析（图1C和1D），共产生了43种神经元和非神经元细胞类型（图1E）。
图1 不同年龄小鼠额叶皮质和纹状体空间分辨的单细胞转录组学分析。
A，snRNA-seq和MERFISH分析；B，采样时间点；C-D，综合聚类分析；E，定义细胞类型。
02
细胞类型和细胞状态空间分布的年龄相关变化
根据细胞在空间邻域中的组成对细胞进行分层聚类，得到的空间聚类将成像区域分割成已知的解剖结构。不同的兴奋性簇在皮质呈层状分布，中棘神经元定位于纹状体，少突胶质细胞在胼胝体中富集，而少突胶质前体细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞和内皮细胞在整个成像区域中均匀分布（图2A-2F）。
部分非神经元细胞随年龄增长出现富集改变。例如，在老年小鼠中Oligo-3只出现在胼胝体中，而Oligo-1和Oligo-2在整个成像区域都可以发现（图2C）；同样，衰老相关的Astro-2主要出现在胼胝体，而Astro-1在小鼠的胼胝体中随着年龄的增长逐步耗尽（图2D），提示随着小鼠年龄的增长，胼胝体中的星形胶质细胞状态发生改变。
图2 不同年龄小鼠额叶皮层和纹状体细胞的空间分布。
A，不同区域的空间分割；B，每个细胞簇中位于单个区域的细胞比例；C-F，不同年龄每种细胞的空间分布。
03
单细胞类型基因表达的年龄相关变化
根据snRNA-seq数据确定了幼年和老年小鼠中神经元和非神经元细胞类型之间差异表达基因的数量（图3A）。非神经元细胞类型比神经元有更多的年龄依赖性差异表达基因。许多年龄依赖性基因以细胞类型特异性方式差异表达（图3B）。GO和KEGG富集分析表明，神经元中随着年龄的增长而上调的基因，在与神经退行性疾病相关的通路中富集，而非神经元细胞中随着年龄的增长而上调的基因与炎症和免疫反应有关（图3C）。
图3 不同年龄分子特征的细胞类型特异性变化
A，单细胞簇中幼年和老年小鼠之间的差异表达基因；B，幼年和老年小鼠的不同细胞簇中差异表达基因的Z评分对数的年龄相关变化；C，GO和KEGG富集分析。
04
神经胶质细胞和免疫细胞的活化应对全身炎症反应
分别给出生后1个月、6个月和21个月的小鼠注射LPS（图4A），24h后使用细胞类型和衰老基因面板进行MERFISH测量。通过整合LPS数据集与前面正常大脑的MERFISH数据集细胞进行分类（图4B）。
许多参与先天免疫反应的基因随着年龄的增长而上调，在LPS刺激的反应中也上调（图4C），然而上调的相对程度存在显著性差异（图4D）。除此之外，LPS处理增加了所有年龄段小鼠中星形胶质细胞和小胶质细胞的活化程度（图4E）。
图4 LPS处理全身炎症激发后细胞的基因表达变化和活化。
A，实验方案；B，MERFISH测量；C，基因变化；D，随着年龄和LPS处理而上调的基因空间图；E，小胶质细胞和星形胶质细胞的活化空间图。
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结 论
文章揭示了衰老过程中神经胶质细胞和免疫细胞活化的分子和空间特征，研究了随着年龄的增长脑空间分布在局部上的变化，除此之外，文章还确定了衰老和全身炎症反应引起的细胞活化模式的相似性和差异性，极大的促进了未来的研究。将此研究与人类空间转录组学相结合，可以揭示非神经元细胞的炎症激活如何导致与年龄相关的认知障碍以及神经元相关疾病。
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