隨著身體年齡的增長(zhǎng)，器官功能逐漸下降，包括心血管疾病、癌癥和神經(jīng)退行性疾病在內(nèi)的各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)也在增加。了解身體如何衰老是一個(gè)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗锌赡荜U明促進(jìn)健康衰老的方法。
貝勒醫(yī)學(xué)院、舊金山生物中心、基因泰克公司(Genentech, Inc.)等處的研究人員正在朝著這個(gè)方向開辟道路。他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了第一份果蠅衰老細(xì)胞圖譜(AFCA)，詳細(xì)描述了實(shí)驗(yàn)室果蠅中163種不同細(xì)胞類型的衰老過程。他們的深入分析表明，身體中不同類型的細(xì)胞年齡不同，每種細(xì)胞類型都遵循一個(gè)涉及細(xì)胞類型特異性模式的過程。AFCA為果蠅和衰老群體的研究人員提供了寶貴的資源，可作為研究衰老和衰老相關(guān)疾病以及評(píng)估抗衰老策略成功與否的參考。
貝勒大學(xué)分子與人類遺傳學(xué)助理教授、共同通訊作者Hongjie Li博士說:“研究表明，例如，大腦中的神經(jīng)元等細(xì)胞比腸道內(nèi)壁細(xì)胞壽命更長(zhǎng)，腸道內(nèi)壁細(xì)胞經(jīng)常被新細(xì)胞取代。我們的團(tuán)隊(duì)對(duì)更好地了解不同細(xì)胞類型的衰老方式感興趣，為此，我們?cè)敿?xì)分析了果蠅在實(shí)驗(yàn)室中自然衰老時(shí)個(gè)體細(xì)胞類型的幾種生物學(xué)特征。果蠅是一個(gè)眾所周知的研究人類狀況的模型。大約75%與人類疾病相關(guān)的基因在果蠅中有類似的功能對(duì)應(yīng)物。”
斯坦福大學(xué)Stephen Quake博士說，新的圖譜為科學(xué)家更好地了解衰老生物學(xué)提供了一個(gè)強(qiáng)大的、開放獲取的資源。“通過高效的合作，我們的團(tuán)隊(duì)繪制了一張非常詳細(xì)的圖譜，揭示了果蠅多種細(xì)胞類型的基因表達(dá)如何隨著年齡的增長(zhǎng)而變化，由于這些基因中的大多數(shù)在人類中具有相似的作用，因此該數(shù)據(jù)集提供了一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以開始破譯為什么許多嚴(yán)重的人類疾病會(huì)在晚年出現(xiàn)。”
隨著果蠅年齡的增長(zhǎng)，研究人員在它們30、50和70天(后者相當(dāng)于80歲的人)時(shí)采集樣本。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，研究小組進(jìn)行了單核RNA測(cè)序，分析了不同器官中單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)變化，并將結(jié)果與幼蠅(5天大)的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究小組檢查了四種不同的衰老特征：細(xì)胞組成的變化、差異表達(dá)基因的數(shù)量、表達(dá)基因數(shù)量的變化和細(xì)胞身份的下降。他們發(fā)現(xiàn)，隨著果蠅年齡的增長(zhǎng)，這些特征會(huì)根據(jù)細(xì)胞類型的特定模式作為一個(gè)群體發(fā)生變化。
Li說，“我們發(fā)現(xiàn)衰老會(huì)影響整個(gè)果蠅的細(xì)胞組成，”脂肪體細(xì)胞是數(shù)量增加最多的細(xì)胞類型之一，而肌肉細(xì)胞則減少最多。然而，在果蠅的一生中，神經(jīng)元的細(xì)胞數(shù)量并沒有發(fā)生重大變化。“此外，對(duì)不同細(xì)胞類型表達(dá)的基因的分析顯示，脂肪細(xì)胞在年輕果蠅和年老果蠅中表達(dá)的基因數(shù)量差異最大”。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，在所有被分析的細(xì)胞類型中，約80%的基因表達(dá)數(shù)量減少，20%的基因表達(dá)數(shù)量增加。“我們計(jì)劃在未來研究這一觀察結(jié)果的機(jī)制，”文章一作Tzu-Chiao Lu博士說。
研究小組還研究了定義細(xì)胞身份的細(xì)胞基因表達(dá)程序是否會(huì)隨著動(dòng)物年齡的增長(zhǎng)而改變。“例如，與年輕果蠅的飛行肌肉身份標(biāo)記Nig1相比，老年果蠅的標(biāo)記急劇減少，而隨著果蠅年齡的增長(zhǎng)，其他標(biāo)記開始出現(xiàn)，”Li說。
“我們已經(jīng)了解到，我們研究的四種衰老特征中的每一種都測(cè)量了細(xì)胞的不同方面，并且沒有一種特征適用于所有細(xì)胞類型，結(jié)合所有衰老特征，我們發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的細(xì)胞類型特異性衰老模式，并將它們進(jìn)行比較，揭示了有用和有趣的發(fā)現(xiàn)。例如，大腦中的神經(jīng)元衰老緩慢，而肌肉、脂肪和肝細(xì)胞衰老得更快。此外，細(xì)胞類型的特定衰老模式可能因性別而異。”
“這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵觀察結(jié)果是，細(xì)胞中特定細(xì)胞類型的衰老模式可以用來衡量生物年齡，即生物體的相對(duì)衰老狀態(tài)，與實(shí)際年齡無關(guān)。這將為我們進(jìn)一步了解飲食、藥物和疾病等因素，這些因素可能會(huì)改變衰老軌跡，從而使生物體比實(shí)際年齡‘年輕’或‘老’，”基因泰克的首席研究員Heinrich Jasper博士說。
Li說:“我們希望研究人員能夠探索AFAC為各種科學(xué)領(lǐng)域提供的可能性，包括遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生理學(xué)。”該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)用戶友好的數(shù)據(jù)門戶，并通過CZI的CELLxGENE平臺(tái)提供訪問。所有資源都可以訪問 https://hongjielilab.org/afca。
