引言
衰老不愧是跨越两千年的研究热点，仅仅只是其中的细胞衰老便处处对标国自然，相信只要人类还没永生，衰老将会是永恒的研究热点。去年就有三十多个关于细胞衰老的基金中标。细胞衰老是细胞在生命活动中随着时间推移逐渐发生衰退的过程。细胞衰老是机体衰老和死亡的基础，而机体的衰老又与多种老年性疾病密切相关，在当前人口寿命普遍提高，人口老龄化进程加快的时代，研究衰老更加有助于避免病理性衰老，保障和提高老年人的生活质量，对预防恶性肿瘤、老年性痴呆、糖尿病等老年性疾病也有着重大意义。对个体衰老基因的系统分析和功能参考注释的开发将有助于了解衰老的潜在机制，并确定抗衰老和衰老相关疾病的新治疗靶点。
好的研究工具有的时候可以大大节约我们选择课题的时间，今天就和大家来介绍一个今年10月6号最新开发的关于个体衰老的单细胞注释数据库，这篇“AgeAnno: a knowledgebase of single-cell annotation of aging in human”是由德克萨斯大学休斯顿健康科学中心Pora Kim教授和Xiaobo Zhou教授联合通讯发表的在Nucleic Acids Research （IF：19.16）上的。
https://doi.org/10.1093/nar/gkac847
背景介绍
单细胞水平阐明衰老相关基因的机制
衰老是一个复杂的过程，伴随着分子和细胞的改变。识别衰老的组织/细胞类型特异性生物标记物，并在单细胞水平阐明衰老相关基因的详细生物学机制，有助于理解异质性衰老过程，并设计有针对性的抗衰老治疗方法。
这篇文献中，作者通过对多个数据库中的样本细胞进行注释，并对单细胞RNA和ATAC测序数据（scRNA和scATAC），然后进行相关的差异基因表达、基因变异系数、细胞通信网络、转录因子（TF）调节网络和免疫细胞比例等分析，最后建立了一个关于人类衰老的单细胞注释数据库的AgeAnno
(https://relab.xidian.edu.cn/AgeAnno/#/)，旨在为人类不同组织细胞类型的衰老相关基因提供全面特征。
研究内容
1．如何建立AgeAnno数据库？
AgeAnno的目标是通过使用scRNA和scATAC数据，对人类不同组织细胞类型的衰老相关基因进行全面表征。在细胞和基因质量控制后，纳入了年龄在0至110岁之间的28个健康组织样本中的1678610个细胞。
作者首先从Genage、AgingAtlas、Opengene、Digital ageing atlas、Gene Ontology，以及Chatsirisupachai等人基于GTEx数据进行的老化研究这六个公共资源中收集了5580个样本（年龄：0至110岁）健康组织中的1678610个细胞进行了注释。然后，作者系统地收集了单细胞RNA和ATAC测序数据（scRNA和scATAC）。
对于scRNA数据，使用Seurat（v2.0）执行质量控制和预处理步骤，使用Harmony执行批量效应去除后。作者对每种细胞类型中的衰老相关差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）进行差异基因表达分析，并确定不同年龄组之间的组织和细胞类型特异性DEGs。然后，作者将这些DEGs注释为三个与衰老相关生物类别，包括免疫基因、端粒维持基因和昼夜节律基因。接下来为了更好地理解衰老相关基因的潜在机制，作者进行了富集分析和转录组变异分析，以确定衰老对基因转录噪声的影响；基于协调配体-受体（L–R）表达的细胞-细胞通信分析；转录因子（TF）调控网络分析。为了探讨衰老背景下免疫微环境的变化，作者还调查了不同年龄组之间的免疫细胞比例。
对于scATAC数据，作者使用ArchR执行质量控制和预处理步骤，后用Harmony执行批次效应消除得到基因得分矩阵，确定了不同年龄组之间的差异可及区域（DAR），并提供了详细的遗传注释信息，如增强子、启动子和内含子。然后，作者执行motif/TF富集分析、足迹分析和共访问性峰值分析，为老化相关DAR提供功能注释。作者还确定了衰老基因的基因-药物或基因-化学相互作用和相关疾病。
图1. AgeAnno的数据库内容和构建。（A） AgeAnno中使用的公共资源。（B） AgeAnno衰老相关基因的动态功能注释。（C） AgeAnno的用户界面。用户可以浏览、搜索和下载有关衰老相关基因的信息。
2.AgeAnno数据库有什么用？
例如，ETS原癌基因1（ETS1）是人类衰老的关键调节因子之一。作者通过AgeAnno发现ETS1在老年皮肤的免疫细胞中上调。根据scATAC数据分析，这可能是由于ETS1启动子区域的可接近性较高。研究人员证实，与年龄相关的Ink4a/Arf表达增加确实是因为ETS1的表达，而Ink4a和Arf又是衰老的主要介质。另外，ETS1也参与端粒维持。化学和药物分析表明，ETS1与雌二醇相互作用，可以防止胶原蛋白减少，并具有抗衰老潜力。因此，AgeAnno知识库数据库可用于识别衰老相关基因的潜在功能和潜在机制，并发现化学基因相互作用，从而推动抗衰老策略的发展。另外，AgeAnno还提供了一些工具来手动整理已发表文献中与衰老相关的数据，包括衰老时钟、脑年龄、抗衰老药物预测和衰老数据处理工具包，这些所有相关文件都可以通过github链接在“下载”页面上免费下载。
图2就是一个使用AgeAnno中老化相关的DEGs模块，来比较不同年龄组中老化相关基因的表达。作者发现，脑老化后抑制神经元中的血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide，VIP）显著下调（图2A），这与之前的研究报道一致。VIP是哺乳动物大脑中的主要调节肽之一。大脑中与年龄相关的VIP mRNA表达下调可能会影响兴奋-抑制平衡，导致老年人学习和记忆障碍。
图2. AgeAnno功能分析示例
3.如何使用AgeAnno数据库？
如图3所示，AgeAnno提供了一个用户友好的搜索和浏览界面（图3A），用户可以通过“按组织搜索”（选择感兴趣的组织）和“按基因搜索”（输入基因符号或基因EntrezID）这两条不同的路径进行数据查询（图3B），所有功能分析也可在主页上单独获得（图3C）。而且，用户还可以在“链接”功能（图3D）中获取已发布的老化相关工具和算法。AgeAnno还提供结果下载、统计和帮助功能（图3E-3G）。
图3. AgeAnno的主要功能和用法
总结与展望
这篇研究中，作者通过对28个健康组织样本中1678610个细胞进行了分类。鉴定了与衰老相关的DEG和DAR，并获得了这些衰老基因的全面功能注释。AgeAnno是第一个通过分析scRNA和scATAC数据，系统地描述人类不同组织和细胞类型的衰老相关基因的数据库。到目前为止，AgeAnno已经拥有5580个与衰老相关的基因，包括DEG、DAR、TF、配体和受体等。AgeAno还提供了不同年龄组的细胞簇和比例。AgeAnno可以为了解衰老生物学中的分子和细胞变化以及为衰老研究确定目标生物标记物提供宝贵的资源。后续作者将继续整合其他单细胞测序数据类型，如单细胞DNA测序和单细胞TCR/BCR测序数据，以确定衰老相关基因的潜在功能和机制。
转自：“学术查”微信公众号
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