Life Med亮点 | 人类免疫衰老和衰弱的单细胞景观图

衰老过程伴随着显著的免疫功能衰退及重塑，其中免疫细胞基因表达谱的改变及其调控是主要影响因素。几十年来，研究人员一直在研究人类和小鼠免疫细胞在衰老过程中基因表达的动态变化。而绝大多数研究是在bulk-cell的水平上进行的，忽略了由于免疫细胞亚群比例变化带来的影响。随着近年来单细胞多组学技术的出现，人们对单个免疫细胞的基因表达进行了非常详细的高分辨率分析。此外，在绝大多数关于衰老和免疫之间关系的研究中，衰老程度通常用实际年龄进行衡量，然而实际年龄并不能解决老年人个体异质性这一问题。衰弱是一种常见的老年综合征，表现为生理储备降低、易损性增加，导致不良的健康结果。从生物学上讲，衰弱是一种优于实际年龄的衡量指标，其可解决衰老异质性的问题，能更好地分析包括免疫系统在内的与之相关的多种系统的变化和适应不良。近期，科研人员进行了全面的单细胞转录组和TCR库分析，确定了衰老及衰弱过程中免疫细胞基因表达特征和免疫细胞亚群的功能特征。

1. 基因表达和衰老轨迹动力学差异

研究人员以人类外周免疫细胞为研究对象，首次从单细胞水平对从新生到健康衰老和衰弱阶段免疫细胞的改变进行了基因和TCR图谱绘制。同前人研究结果相似，该研究证实了不同年龄的免疫细胞亚群分布是不同，如naïve细胞比例随增龄而降低，而记忆细胞和炎症细胞比例则呈现增加。在免疫细胞亚群比例上，除了衰弱组的CD4⁺ Tcm细胞比例略有增加外，健康老年人与衰弱老年人其他免疫细胞亚群的比例差距没有很明显。

不同免疫细胞亚型的细胞异质性和转录组变化呈现显著的年龄依赖性积累。与健康老年人组相比，在16个主要免疫细胞亚群中发现了一组衰弱特异性差异表达基因。这些结果首次表明，健康衰老和衰弱之间主要免疫细胞的基因表达动力学存在显著差异。根据年龄组特异差异表达基因，在各种免疫细胞亚型中确定了特征性转录因子。此外，转录调控网络分析显示，衰弱组免疫细胞的AP-1和NF-kB家族的转录因子显著性高表达，表明免疫处于活化状态且NF-kB通路被激活，为老年衰弱典型的慢性炎症表型提供了分子水平证据。

与基因表达在衰老/衰弱过程中的异质性和变化类似，健康衰老和衰弱衰老的免疫细胞亚群具有不同的衰老动力学和轨迹。根据细胞命运轨迹分析（拟时分析）的结果，免疫细胞的衰老过程主要有两种模式。B、CD8 Tem和NK1细胞为代表的衰老模式，其基因表达变化与实际年龄一致，呈现渐变式变化。另一模式中，naïve T、CD4 Tcm 和 NK2等免疫细胞的基因表达会在一个特定时间点走向另一分支，出现显著变化。未来此方向仍有许多问题需要深入研究，不同细胞亚群的特异性基因表达谱，以及不同细胞亚群衰老轨迹的主要原因需要进一步探讨，此外不同衰老速率是否导致不同功能性结果也需进一步阐明。

图1 免疫细胞的两种衰老模式示意图

2.主要免疫细胞亚群衰老特征

研究对主要的免疫细胞亚群在衰老/衰弱过程中的变化特征进行了进一步探讨分析。T细胞是外周血单个核细胞群的主要组成组分，其表现出显著的衰老性变化。一方面，T细胞亚群的比例在衰老过程中发生了显著变化，如naïve CD8 T细胞的减少以及CD4 Tcm和耗竭T细胞的增加。CD4 Tcm和CD8 Tem的比例在衰老和衰弱中同样呈现相关的显著变化，两者比例可能作为区分健康衰老和衰弱的潜在生物指标。然而，CD4 Tcm/CD8 Tem比值的这种变化是否与文献充分记载的CD4/CD8比值的变化相对应还有待研究。另一方面，随着增龄T细胞受体（T cell receptor， TCR）组库多样性发生锐减，相较于健康老年组，衰弱组的TCR多样性状况更为堪忧，这也可能作为一种区分指标。在针对衰老和衰弱中TCR的变化的分析中，研究者还在多个T细胞亚群之间发现了相当数量的共享TCR克隆，此现象随着年龄增大和衰弱的发生而越发明显。TCR多样性随增龄急剧减少，衰老的免疫系统可能通过共享T细胞克隆这一代偿机制来应对持续的抗原挑战。加之T细胞克隆在衰老和衰弱中展现的不同基因表达谱，表明人类衰老和衰弱中T细胞具有多能性和弹性的潜力。

与T细胞不同的是，B细胞的占比在健康衰老和衰弱之间不存在显著性差异。流式检测数据显示，naïve B和Breg细胞随增龄减少，衰老相关B和CD38^-CD24^-B细胞比例则增加。但是对B细胞基因表达分析的结果显示衰老和衰弱的B细胞存在一定的差异。衰老和衰弱对于B细胞的影响仍有待进一步研究。对于NK细胞亚群，CD69^lowMHC-II^hi的NK细胞亚群在衰弱老年人群中增多，提示NK细胞的耗竭与衰弱相关。

单细胞技术可以帮助发现罕见的细胞亚型或以前从未报道过的亚型。研究发现了一类衰弱特异性单核细胞亚群，是一类以往从未发现的单核细胞亚群，可能来自经典单核细胞群。该细胞亚群在衰弱老年样本中普遍存在，而在健康老年样本中几乎未发现。在基因表达谱上，衰弱特异性单核细胞表现出了同经典单核细胞、过渡单核细胞、非经典单核细胞有明显差异的基因表达模式。差异基因分析显示，衰弱特异性单核细胞亚群以高表达非编码基因MALAT1和NEAT1、高表达转录因子ZEB2、NFKB2、REL等、以及低表达CST3、FTL、CCL4和MHC II基因为特征。然而，目前还没有特定的细胞表面标记物来识别这种衰弱特异性单核细胞亚群，仍需进一步研究将这一发现转化到蛋白质和功能水平对其进行鉴定和探究。

3.非编码基因表达特征

除了蛋白编码基因，研究也关注到非编码基因在人类免疫衰老和衰弱中的特征性变化。研究者在多种处于老化状态的免疫细胞中鉴定出了相同的特征性基因分子标志物——长链非编码RNA NEAT1和MALAT1。NEAT1和MALAT1在包括耗竭T细胞、衰弱特异性单核细胞这些老化状态免疫细胞中呈现高表达状态，可能是调控衰老免疫细胞差异基因的重要分子，是人类免疫衰老的重要特征。这一发现为未来研究提供了若干思考方向。首先，在许多肿瘤中，NEAT1和MALAT1也被发现呈现高表达改变，因此有必要了解NEAT1在肿瘤发生和衰老之间高表达的联系。此外，为何仅有衰弱特异性单核细胞和耗竭T细胞呈现NEAT1的高表达，这也是值得思考的问题。最后，由于NEAT1是亚核结构paraspeckle形成的骨架组分，因此paraspeckle在衰老和细胞老化中的潜在作用也还需进一步探索。

图2 健康衰老和衰弱进程中免疫细胞的基因表达及功能特征

研究为衰弱综合征和免疫衰老两者之间相互的潜在影响提供了基础数据。在全球面临COVID-19持续挑战的背景下，该图谱的绘制有助于加深人们对免疫衰老的理解，对改善老年人的免疫功能有着重要指导意义。

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原文链接：https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac013

作者简介

冷晓（Sean X. Leng）

约翰斯•霍普金斯大学医学院

冷晓（Sean X. Leng），约翰斯•霍普金斯大学医学院教授，长期从事老年病学研究，主要研究方向包括衰弱老年人免疫失调影响因素、老年人免疫功能衰退的影响因素及机制、衰退免疫系统强化策略等。中美现代老年医学合作的开创者，曾获衰老研究领域Paul Beeson学者奖、美国科学院老年医学专家奖、北京协和医院老年医学专业奠基人奖。

Graham Pawelec

德国Tübingen大学

Graham Pawelec，德国Tübingen大学免疫学教授，任职于加拿大Health Sciences North Research Institute，英国诺丁汉特伦特大客座教授，英国伦敦国王学院及英国曼彻斯特大荣誉教授。长期从事免疫老年学、疫苗接种和癌症免疫/免疫治疗方向的研究。

制版：陆小炮

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