Science Advances：基于人类PBMCscRNAseq的衰老时钟揭示核糖体对炎症平衡是单细胞衰老和超长寿的标志

原文题目：Human PBMC scRNA-seq–based aging clocks reveal ribosome to inflammation balance as a single-cell aging hallmark and super longevity

通讯作者：JING-DONG J. HAN

隶属单位：北京大学清华生命科学中心

DOI：10.1126/sciadv.abq759

衰老是一个生物体功能衰退的复杂过程，伴随着许多退行性疾病。衰老时钟是指在组学数据上训练的线性或非线性模型，用于预测年龄和衰老率，通过实际年龄和预测年龄之间的差异（AgeDiff）来衡量，可用于量化不同水平的衰老。例如，人外周血转录组时钟的实际年龄与预测年龄之间的平均绝对差异（MAD）为7.8岁，而基于血液蛋白质组的预测在预测年龄和实际年龄之间的皮尔逊相关系数（PCC）为0.93至0.97，DNA甲基组在全血中达到4.9年的MAD为4.3年，在异质组织中达到5.50年。最近2个基于血细胞因子的免疫衰老时钟的MAD为6.6年。研究人员建立了一个基于三维人脸图像的线性模型，MAD为7.2年，深度学习人工智能（AI）模型为8.2年。快或慢龄者（AgeDiff>MAD）比预测良好的个体表现出显着的衰老相关生理下降或延迟。然而，尚未检查单细胞水平的异质性对衰老速率的异质性贡献了多少。尽管一些比较两点年龄（年轻和老年）的单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析发现人类和猴子卵巢以及小鼠的各种组织存在许多与年龄相关的单细胞水平变化，但这两点数据无法建立年龄和衰老率预测因子来评估单细胞水平的衰老率或其异质性。已经在小鼠中开发了几种单细胞时钟，包括多组织单细胞DNA甲基化时钟和脑单细胞衰老时钟。虽然有<>个样本的人外周血单核细胞（PBMC）scRNA-seq数据跨不同年龄，但数据的质量和稀疏性不允许可靠地分离已知细胞类型或清晰映射细胞身份，此外缺乏精确的年龄信息。

通过生成参考28个样本衰老队列，研究人员基于参考17个体衰老队列的单细胞类型组成开发了单细胞水平的单细胞衰老时钟，并将SC置于80.43至102.67岁之间的生物学年龄。在独立验证队列中，中国的WHCT和CYCT以及日本的JOCT都与他们的实际年龄非常吻合。尽管研究人员构建的单细胞老化时钟已经在线性模型的框架内达到饱和，但数百甚至数千个更大的训练数据可能会进一步使构建AI模型能够进一步提高准确性。此外，研究人员为每种细胞类型生成了单细胞类型转录组时钟，并将SC置于更年轻的跨细胞类型中位转录组年龄范围65.01至75.83岁，远小于其实际年龄。这也表明SCs在单细胞转录组水平上的缓慢衰老比在细胞类型组成水平上更强。应该注意的是，研究人员使用的所有年龄预测因子（PLSR和EN）都是线性模型。因此，现有模型足以捕捉与年龄相关的线性变化，而不必涵盖整个年龄范围。仅基于这些线性模型，研究人员发现与自然老化过程中的预期线性变化相比，SC的老化速度明显较慢。将来，研究老化期间和SC中的非线性变化将是有趣的，这将需要来自所有年龄段的更多样本来构建非线性模型。测试哈钦森-吉尔福德早衰综合症等早衰症的时钟也会很有趣。

为了确定SCs缓慢衰老背后的细胞类型和分子事件，研究人员使用时钟模型为SCs生成年龄匹配的预期谱，然后将它们与SCs中细胞类型和分子特征的实际值进行比较。研究人员发现，在细胞类型水平上，SCs显示幼稚CD8 T细胞增加，以及细胞毒性CD8 T细胞和记忆CD4 T细胞减少。在HI-LR细胞类型的单细胞水平上，SCs含有更多具有高核糖体水平的细胞，这与炎性细胞因子基因的表达呈强烈的负相关。使用BN推断模型，研究人员推断高核糖体基因表达水平可能有助于HI-LR细胞类型中SC的低炎症状态和延迟衰老或缓慢衰老。在培养的单核细胞中观察到这种因果关系，实验性地抑制核糖体活性或翻译诱导炎性细胞因子的表达，例如IL-6和IL-8。最近的一项研究发现，这些由巨噬细胞（组织浸润的单核细胞）产生的细胞因子如果不迅速抑制，可以招募细胞毒性CD8 T细胞，从而启动衰老细胞的杀伤。有趣的是，SCs中细胞毒性CD8 T细胞水平的降低是否可能是HI-LR细胞类型中炎症细胞因子表达减少的进一步结果。

人类核糖体病导致钻石黑扇综合征，其中包括许多与年龄相关的退行性症状，包括青光眼和白内障，至少通过 G0-G1细胞周期停滞。在酵母中，核糖体突变导致复制寿命缩短。相比之下，通过特定核糖体变体提高翻译效率可延长多个物种的寿命。研究人员之前的研究发现，核糖体基因表达是与不同生活方式的小鼠寿命呈正相关的最显着途径。

研究人员发现几乎所有细胞类型的单细胞核糖体基因表达水平随着年龄的增长而降低，并且在SC的HI-LR细胞类型中显着延迟。研究人员还发现，在HI-LR细胞中，其基础低核糖体基因表达的进一步降低可能导致炎症细胞因子表达增强。由于核糖体水平是单细胞生长速率的可靠衡量标准，并且增强的炎性细胞因子是一种衰老相关的分泌表型（SASP）（39）加速了人类的衰老速度，来自SC的血液中HI-LR细胞类型的高核糖体状态细胞比例以及研究人员的单细胞衰老确定的核糖体/对炎症平衡的翻译时钟揭示了单细胞水平上意想不到的衰老特征，并助长了哲学断言“当你不成长时，你就没有生活”。

原文链接：10.1126/sciadv.abq759

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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