Cell：刘光慧教授团队解码衰老机制和干预丨CellPress对话科学家
近日，中国科学院动物研究所刘光慧教授课题组于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell（《细胞》）上发表两篇论文（其中一篇登上2月6日出版的Cell期刊封面）。Cell Press细胞出版社微信公众号特别邀请刘光慧教授进行了专访，请他就这两篇论文以及其课题组目前的研究进展进行了深入探讨。
两篇Cell论文研究介绍：
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，其不仅是卵母细胞的来源，而且是雌性激素的主要分泌器官，在维持雌性生殖力与内分泌稳态方面都具有不可或缺的作用。卵巢在30岁后即呈现显著的功能衰退，是机体衰老过程中较早出现退行性变化的器官之一，其衰老表现包括的卵母细胞数量减少、质量下降，及雌性生殖力降低等[1][2][3]。因此，对于卵巢衰老的机制的深入了解至关重要。卵巢结构复杂，细胞组成具有高度异质性，其中包括多个处于不同发育阶段的卵泡，传统的RNA测序技术在准确揭示细胞类型特异性的基因表达方面有较大的局限性[4]。此外，由于伦理及样本来源的限制，将人类的正常卵巢组织用于卵巢生理性衰老的研究难度较大，这在一定程度上限制了人们对人类卵巢衰老机制的深入理解，并进一步制约了女性卵巢衰老及相关疾病干预手段的发展。
中国科学院动物研究所刘光慧研究组、曲静研究组、北京大学汤富酬研究组及美国索尔克生物学研究所等科研机构合作，发表了其在灵长类器官衰老研究领域的最新进展。该研究利用高精度单细胞转录组测序技术首次绘制了食蟹猴卵巢衰老的单细胞图谱，同时利用人类卵巢细胞研究体系，发现增龄伴随的抗氧化能力的下降是灵长类卵巢衰老的主要特征之一。
图1.灵长类卵巢衰老高分辨率单细胞转录组图谱研究
本研究登上2020年2月6日出版的Cell（封面故事）
研究者采用单细胞转录组测序技术绘制了年轻与年老的非人灵长类（NHP）食蟹猴的卵巢中单细胞水平的转录本图谱，系统地揭示了具有不同基因表达特征的7种卵巢细胞类型，包括卵母细胞和6类卵巢体细胞，鉴定并验证了多个卵母细胞特异的新型标志基因。对卵母细胞基因表达动态变化的深入研究显示，卵母细胞的发育可按顺序依次分为4个阶段。进一步的分析发现，早期卵母细胞和颗粒细胞中的抗氧化信号显著变化，说明相比于中晚期的卵母细胞而言，早期卵母细胞对衰老相关的氧化应激更为敏感。并且，该项研究发现在衰老过程中颗粒细胞的氧化损伤增加，伴随着促凋亡基因表达上调、氧化还原酶相关基因表达下调。在此基础上，鉴定出IDH1和PRDX4等氧化还原调控基因是颗粒细胞衰老的新型分子标志物。
为深入探究人类卵巢衰老是否也发生了与食蟹猴相似的细胞分子事件，研究人员从进行辅助生殖技术治疗的健康女性的卵泡液中分离了颗粒细胞。利用这些细胞，验证了前述增龄相关细胞氧化损伤的增加以及新型衰老标志物的表达变化等现象。同时，在人类颗粒细胞中证实了氧化还原基因表达改变与细胞凋亡及线粒体功能紊乱之间的因果联系。此项研究在单细胞水平为灵长类卵巢衰老的机制研究提供了深入的理解，为衰老相关的卵巢疾病提供了全新的诊断标记和潜在的治疗靶点。
中科院动物所王思副研究员、北京大学博士生郑宇轩、中科院动物所李静宜副研究员、北京大学第三医院于洋研究员和中科院北京基因组所张维绮研究员为并列第一作者。中科院动物所周琪院士、北京大学第三医院乔杰院士、宣武医院陈彪教授以及中科院动物所宋默识研究员为本文的共同高级作者。该项目获得国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市等项目的资助。
Cell文章（2）
Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape of Rattus Norvegicus Aging
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增龄伴随的多器官渐进性功能衰退，是一系列衰老相关重大疾病（如神经退行性疾病、心血管疾病和糖尿病等）的关键诱因[5][6]。在衰老干预方面，卡路里限制（即节食）在多个物种中被证明是延缓衰老的重要途径[7]，但其具体作用机制，特别是组织细胞特异的分子机制，尚不明确。
中国科学院动物研究所刘光慧研究组、曲静研究组，中国科学院基因组研究所张维绮研究组，同美国索尔克生物学研究所等科研机构合作，绘制了首个哺乳动物衰老和节食的多器官单细胞转录组图谱，从不同维度系统地评估了衰老和节食对机体不同类型组织细胞的影响。该研究以啮齿类动物大鼠（Rattusnorvegicus）为研究对象，基于高通量单细胞和单核转录组测序技术，揭示了节食通过调节多组织的免疫炎症通路进而延缓衰老的新型机制。
图2. 衰老和节食影响大鼠多组织稳态的系统生物学研究
该研究首次发现从中年期开始对大鼠进行“七分饱”干预（任意进食量70%的卡路里摄入量）可以降低其组织、细胞和分子水平的衰老指征，使其寿命明显延长。研究者基于对年轻任意进食组、年老任意进食组和年老节食组动物的9个组织20多万个单细胞及细胞核的转录组分析，绘制了衰老和节食状态下不同器官稳态的分子网络图谱。该图谱显示，所有的组织中都发生了衰老相关的细胞类型组成的改变，而且这些变化中半数以上能够被节食所抑制。其中，衰老大鼠体内多种器官与组织中中性粒细胞和浆细胞等免疫细胞数量显著增多，促炎型巨噬细胞（M1）相对于抗炎型巨噬细胞（M2）的比例也有所增加，说明多组织炎症压力的增加是衰老的标志性特征。节食能够有效逆转此免疫细胞比例的异常变化，并逆转衰老引起的基因表达差异，这些基因主要富集在炎症反应和脂质代谢方面，如S100a8等促炎因子。进一步的研究发现调节mRNA转录、剪接和翻译的蛋白Ybx1可能是介导多器官衰老，且受节食调控的关键性节点分子。研究团队发现衰老能够导致多种组织中的细胞间通讯过载，这一过程能被节食所抑制，此结论与细胞组成水平和基因表达水平的结论一致。
该研究通过多种技术联合应用，首次在多器官、多组织层面系统地解析了机体衰老的细胞和分子变化规律，揭示了慢性炎症是哺乳动物机体和器官衰老的共性特征，为衰老预警提供了新型生物学标志物。同时，该研究也揭示免疫调节系统在节食干预衰老进程中起重要作用，为进一步发展衰老及其相关疾病的干预策略奠定了理论基础，在科学应对老龄化方面具有重要价值。
中科院动物所马帅助理研究员、中科院生物物理所孙淑慧助理研究员、首都医科大学宣武医院耿令令副研究员以及中科院动物所宋默识研究员为并列第一作者。中科院动物所周琪院士、首都医科大学宣武医院陈彪教授以及浙江大学郭国骥教授为共同高级作者。该研究获得国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市等项目资助。
Cell Press微信公众号特别邀请刘光慧教授代表团队接受了专访，请他进一步为大家深入解读这两篇论文。
文章（1）：Single-Cell Transcriptomic Atlas of Primate Ovarian Aging
文章（2）：Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape of Rattus Norvegicus Aging
Cell Press：文章（1）的研究是非人灵长类器官衰老的高精度单细胞转录组图谱研究的首次报道，您觉得利用灵长类动物研究器官衰老的意义是什么？
刘光慧教授：衰老是人类慢性疾病的最大的危险因子。衰老主要表现为器官和组织随着增龄而出现的渐进性功能衰退。理解机体衰老和老年疾病发生的机制，必须从认识器官衰老开始。认识卵巢的衰老机制对于理解女性健康和生殖力的增龄性减退具有重要的意义。然而，在临床上获得完全健康的年轻和年老女性的卵巢组织用于科学研究几乎是不可能的。而灵长类动物模型提供了最接近人的卵巢衰老研究体系，在卵巢的形态结构、生理周期、激素分泌等方面都与人类更为相似，因此基于灵长类动物模型的高精度单细胞转录组研究将为认识人类卵巢衰老的机制，发展衰老相关疾病的干预、乃至生育力保存及恢复手段等提供重要线索。
Cell Press：卵巢是结构复杂的组织，卵巢内细胞具有高度异质性，包含不同细胞类型和处于不同发育阶段的卵泡，因此传统的研究技术难以精确揭示卵巢衰老过程中不同细胞类型的衰老规律及分子调控机制。为揭示卵巢衰老在单细胞水平的分子机制，您的团队为此研究运用了什么创新的技术？
刘光慧教授：单细胞转录组高通量测序技术自2009年由汤富酬教授等在国际上首次建立以来，经过不断的创新和发展，目前广泛应用于各种复杂的生物学问题的系统研究中。目前最常用的两种单细胞转录组扩增建库技术为Smart-seq2和10X Genomics，前者只能对单个细胞进行建库，成本较高，且建库通量较低；而后者运用芯片技术适用于细胞量多的样本，对卵细胞这种数量稀少且细胞体积大的样本也不适用。我们采用了北京大学汤富酬课题组建立的优化的单细胞转录组扩增技术，在反转录的引物中引入了细胞标签序列，既实现了对卵细胞和体细胞的同时分析，也达到测序数据质量和通量的平衡。此研究通过口吸管手动挑取状态好的单细胞，一方面保证了较高的转录本捕获率，有助于获得高质量转录组数据，另一方面平衡了分析的细胞通量和成本问题，能以较低的成本进行数千个细胞的规模建库，增大采样量。
Cell Press：基于单细胞基因表达水平，本项研究解析了处于不同阶段性发育变化的4个卵母细胞亚群，并揭示了重要转录因子在这些亚群中的协同调控机制。此卵母细胞亚群的分类与研究对于卵巢衰老的基础或临床研究有哪些意义？
刘光慧教授：卵母细胞作为卵巢中最为重要的功能细胞，其衰老会引发卵泡库的耗竭以及卵巢的整体衰老。我们的研究基于基因表达谱的特征初步实现了单细胞分辨率上的卵母细胞亚型分类。因为只有实现了这种分类，才能进行细胞亚型特异的衰老变化基因分析，进而揭示细胞亚型特异的衰老变化规律。这样一方面可以为临床诊断提供细胞亚型特异的衰老标志物，另一方面能够基于细胞亚群特异的衰老机制发展更具针对性的干预手段。例如，我们发现在早期卵母细胞中抗氧化基因表达发生下调，提示这些基因可以作为早期卵母细胞衰老的标志物进而实现卵巢衰老的预警。对于临床研究而言，这些研究结果提示针对早期卵母细胞发展适宜的抗氧化干预，可能有助于提高早期卵母细胞库的质量，改善老年卵巢的生理功能。
Cell Press：文章(1)的研究筛选到颗粒细胞衰老的新型分子标志物：IDH1和PRDX4等氧化还原调控基因。这些新型生物标志物的发现能够对卵巢衰老的其他研究提供哪些启发？
刘光慧教授：氧化应激的增加被认为是衰老的一个重要特征。我们观察到在年老卵巢的颗粒细胞中，氧化还原调控基因表达下调，这伴随着细胞氧化损伤的增加以及细胞凋亡。这些新型分子标志物可能有助于辅助生殖过程中卵巢质量及其微环境支撑能力的评估，也有可能被应用于生育力保存及后期恢复后的质量评估或者衰老相关干预的预后效果评价。此外，针对颗粒细胞抗氧化能力的下降，以及氧化还原调控基因的表达下调，还可以开展相关的药物和基因治疗等转化研究，通过靶向卵巢微环境中的氧化压力所致的损伤，实现卵巢衰老及相关疾病的干预。
Cell Press：在文章（2）的研究中，您的团队对大鼠9个组织20多万个单细胞进行转录组分析，绘制了衰老和节食状态下不同器官的基因表达图谱。为实现此图谱的绘制，研究团队为此采用了10X测序技术。能否请您谈一谈文章（1）与文章（2）中采用不同单细胞测序技术的原因。
刘光慧教授：10XGenomics单细胞转录组测序技术基于微流体双十字交叉技术自动分选并通过barcode磁珠标记单细胞。之所以在这篇文章采用此技术，主要考虑到其两个优势：1）通量大，单个细胞成本低，建库流程简便快捷，可同时捕获成千上万个细胞尽可能保证平行性。2）由于随机捕获大量细胞，更好地反映衰老过程中相同组织部位不同样品之间细胞比例的变化。本课题需要同时平行分析大量衰老和节食动物的多器官多组织样本，且希望获得细胞比例变化的信息，因此10XGenomics是相对更好的选择。
Cell Press：文章（2）的研究揭示了炎症是哺乳动物机体和器官衰老的共同特征，发现了促炎因子S100a8可以作为衡量机体衰老程度的潜在生物标志物。您认为此项研究对于衰老和老年疾病的临床研究有何启发？
刘光慧教授：获得易于检测的、可靠的衰老标志物是老年基础和转化医学研究的基础，是实现衰老及相关疾病预警及干预的前提。通过多器官单细胞转录组的研究，我们发现S100a8在衰老个体的多种细胞类型中表达上调，且可以分泌到血清中（方便检测），同时在节食条件下被抑制，说明S100a8可作为衰老程度和衰老干预评价的一个潜在的临床指标。事实上，我们在不同器官、组织和细胞水平也鉴定出一系列受衰老和节食调节的其他分子标记物，如S100a9, Igkc, Ybx1等等。这些标记物，尤其是那些可以分泌到血液或尿液中的因子（或其组合），都有可能被用作评价机体衰老状态的生化指标。需要指出的是，此研究主要基于啮齿类动物模型，我们还将在人类群体中进行相应的验证。
Cell Press：文章（2）首次揭示免疫系统在节食干预衰老进程中的作用，能否请您谈一谈代谢干预对于衰老有关的免疫应答的影响？
刘光慧教授：我们在不同层面研究了代谢干预对衰老相关免疫应答的影响。首先，节食可以抑制50%以上衰老伴随的细胞比例变化，其中主要表现为抑制免疫调节细胞（如中性粒细胞，浆细胞）在衰老组织中的聚集。其次，节食还能够降低组织内促炎型巨噬细胞（M1）和抗炎型巨噬细胞（M2）的比例来抑制炎症。再次，衰老在多种组织和细胞类型中均导致免疫应答相关基因和通路的紊乱，而这些紊乱在很大程度上可以被节食逆转。最后，衰老引起多种组织中的细胞间通讯的过载。主要表现为多种与免疫细胞活化相关的细胞因子及其受体的表达异常增强，而这些异常增强的细胞间相互作用也能被节食所抑制。这些结果均表明，代谢干预可以在分子、细胞、组织和器官各个层次消除衰老导致的免疫应答紊乱，这为有针对性的发展衰老及其相关疾病的干预策略提供了思路。
Cell Press：能否请您谈一谈您的团队下一步的研究方向如何？
刘光慧教授：在系统水平揭示灵长类动物衰老的异质性和复杂性是我们感兴趣的方向之一。实验室一直致力于结合最新的生物学技术，发掘可以真实反映人类生物学年龄的衰老标志物，从而实现对个体衰老程度的科学评估。此外，我们也在努力解析人类衰老的不同层面的驱动力。由于衰老受遗传背景、外界环境和生活方式等复杂因素的影响，因此寻找衰老的驱动力，阐明衰老的遗传及环境（表观遗传）作用机制和分子细胞调控网络，是干预衰老的理论基础。同时，我们也在积极探索药物、（干）细胞及基因治疗等干预策略对于延缓机体衰老及防治衰老相关疾病的潜力，以推动衰老生物学从基础研究向临床应用的转化。
Cell Press：您的团队致力于解码衰老的遗传和表观遗传信息，研究人类衰老和老年病的遗传和表观遗传学基础，探索延缓衰老和防治老年疾病的方法。您认为人类衰老领域的研究未来有什么样的发展趋势？
刘光慧教授：未来的衰老研究领域将越来越基于多模型、多组学，以及依托大数据整合研究，最终呈现出交叉学科融合的发展趋势：
多模型：研究动物模型的多元化，包括非哺乳类模式生物、啮齿类动物、灵长类动物及人类生理病理学组织样品等，将协同促进我们对复杂化、多样化衰老过程共性及物种特异性变化规律的认识，从而深入阐明人类自身衰老的规律，为衰老和相关老年疾病的防治提供理论基础。
多组学：个体、器官、组织和细胞的衰老均具有较强的异质性与复杂性，不同组织器官在衰老的过程中往往呈现出不同的细胞分子变化规律。随着测序技术的发展，未来通过整合单细胞、基因组、表观基因组、宏基因组、蛋白质组、代谢组等多层次组学的联合分析，能够更好地从系统水平认识和解析衰老。
大数据：加强衰老、衰弱、老年疾病的人群队列研究，构建相应的生物学数据库及系统分析平台，促进基于大数据的衰老规律解读。
学科交叉：研究重点“由治疗向预防”的转变，推动“衰老研究领域”整体研究战略支点前移。将促进衰老生物学与老年医学、老年学、人口学、营养学、预防医学、运动医学、护理学等学科的交叉与融合。
关于 刘光慧 教授
刘光慧，中国科学院动物研究所研究员，膜生物学国家重点实验室副主任，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者，创新群体负责人，万人计划科技创新领军人才。现任中国细胞生物学学会衰老细胞生物学分会（CSACR）会长，国际健康与寿命研究学会（Academy for Health & Lifespan Research, AHLR）共同创始人/科学理事，Protein & Cell副主编，Stem Cell Research & Therapy副主编，Cell Reports编委，Aging Cell编委。获中国青年科技奖特别奖，谈家桢生命科学创新奖，顾孝诚讲座奖，首届老年医学杰出贡献奖等荣誉。
代表性成果：
（1）衰老及疾病机制：创建首例长寿基因敲除猴模型，揭示灵长类和啮齿类动物在衰老调节通路方面的差异（Nature 2018，中国生命科学十大进展）；系统性建立人类衰老及疾病的干细胞研究体系，揭示细胞核和表观遗传改变是衰老及相关疾病的共性特征，发现一系列延衰防病的化合物（Cell 2016，Science 2015，Nature 2012，Nature 2011，Cell Res 2016, Nat Commun 2015，Nat Commun 2014, Protein Cell 2019，Aging Cell 2018）；
（2）衰老标志物：首次绘制灵长类卵巢衰老的高精度单细胞转录组图谱，揭示抗氧化基因表达的下调是卵巢衰老的主要特征（Cell 2020a，封面文章）；绘制首个哺乳动物衰老和节食的多器官单细胞转录组图谱，鉴定出一系列器官、组织和细胞类型特异的衰老标志物，揭示节食通过抑制多组织炎症进而延缓衰老的新型机制（Cell 2020b）；发展新型染色质三维动态成像工具TTALE，揭示核仁核糖体DNA重复序列的减损是衰老的新型标记物（Cell Res 2017，封面文章）。
（3）干细胞和基因治疗：利用HDAdV首次在人类疾病干细胞中实现致病基因突变的精准高效矫正，成功编辑或修复10余种致病基因突变(Cell 2016, Science 2015, Cell Stem Cell 2019, Cell Res 2017, Cell Stem Cell 2014，Nat Commun 2015, Nat Commun 2014, Protein Cell 2020，Protein Cell 2017，Cell Stem Cell 2011)；利用基因编辑技术成功改写人类基因组遗传密码中的少数核苷酸，获得首例遗传增强的干细胞及血管细胞，用于血管退行和损伤性疾病的治疗（Cell Stem Cell 2019，封面文章; Cell Res 2017）；发现系列人类干细胞“年轻因子”，为骨关节炎的基因治疗提供全新思路和靶标（Nat Commun. 2019; PLoS Biology 2019; Cell Reports 2019）。
本文参考文献
1. Broekmans F.J.Soules M.R.Fauser B.C.
Ovarian aging: mechanisms and clinical consequences. Endocr. Rev. 2009; 30: 465-493
2. Perheentupa A.Huhtaniemi I.
Aging of the human ovary and testis. Mol. Cell. Endocrinol. 2009; 299: 2-13
3. Tilly J.L.Sinclair D.A.
Germline energetics, aging, and female infertility. Cell Metab. 2013; 17: 838-850
4. Sánchez F.Smitz J.
Molecular control of oogenesis. Biochim. Biophys. Acta. 2012; 1822: 1896-1912
5. Campisi J.Kapahi P.Lithgow G.J.Melov S.Newman J.C.Verdin E.
From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing. Nature. 2019; 571: 183-192
6. Zhang W.Qu J.Liu G.-H.Belmonte J.C.I.
The ageing epigenome and its rejuvenation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2020;
https://doi.org/10.1038/s41580-019-0204-57. Fontana L.Partridge L.
Promoting health and longevity through diet: from model organisms to humans.Cell. 2015; 161: 106-118
相关论文信息
文章（1）原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上，扫描下方二维码查看论文
论文标题：
Single-Cell Transcriptomic Atlas of Primate Ovarian Aging
论文网址：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30056-8
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.009
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论文标题：
Caloric Restriction Reprograms the Single-CellTranscriptional Landscape of RattusNorvegicus Aging
论文网址：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30152-5
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.008
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