《细胞》：1/4衰老基因表达能被“七分饱”逆转
科技日报记者 张佳星
延缓衰老，卡路里限制（即节食）在多个物种中被证明有效，具体分子机制却并不明确。
2月27日，《Cell》杂志在线发表题为“Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape of RattusNorvegicus Aging”（《能量限制重塑大鼠衰老的单细胞转录图谱》）的研究论文。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，及美国索尔克生物学研究所等科研机构合作，以啮齿类动物大鼠（Rattus norvegicus）为研究对象，基于高通量单细胞和单核转录组测序技术，通过对年轻任意进食组、年老任意进食组、年老节食组的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组织器官的分子网络图谱。分析该图谱，研究者发现超过1/2的衰老细胞和1/4的衰老基因能被“七分饱”逆转。
逐个细胞摸底：9大组织20万细胞变老是啥样？
研究团队用大鼠做试验，将一批实验大鼠分为3组，分别是：年轻任意进食组、年老任意进食组、年老节食组。
衰老和节食影响大鼠多组织稳态的系统生物学研究
“年轻组大鼠用于对照，看中年阶段的大鼠开始节食能不能延缓机体的衰老。”论文通讯作者之一、中国科学院动物研究所研究员曲静对科技日报介绍，研究者从中年期开始对大鼠进行“七分饱”（任意进食量70%的卡路里摄入量）干预，持续节食9个月。
对于年老节食组的干预相当于人类从中年（约40-45岁）开始节食，一直持续到70岁。
“我们分别对3组大鼠的皮肤、主动脉、棕色脂肪、白色脂肪、肝脏、肾脏、骨髓这7种组织中取到的细胞进行单细胞测序，对脑、骨骼肌这两种组织的不同细胞进行单细胞核测序。”曲静介绍，值得注意的是每种组织有不同的细胞类型。细胞种类的多样性决定了组织器官的异质性和复杂性，导致各组织器官在衰老过程中呈现出不同的细胞及分子特性，但是传统的研究技术难以精确地揭示这些细胞类型特异性的分子变化及调控规律。
高通量单细胞测序技术能够对数十万包括不同种类的单个细胞进行测序，此次绘制的细胞图谱中涉及到的细胞类型有百余种。这是首个针对哺乳动物衰老和节食的跨越多个器官的单细胞转录组图谱研究，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，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。
解读图谱，“七分饱”这样逆转衰老
平常生活里，“老了”意味着皱纹变多、头发变白、跑不动了……这些都是生命个体的身体体征，判断细胞变老则需要细胞层面的“体征”。
通多对年轻的细胞和年老的细胞的对比，研究者从细胞类型组成、细胞类型特异性差异表达基因、核心调控转录因子及细胞间信号通讯网络等方面，寻找到衰老的表现，并全方位解析了衰老和节食对大鼠不同组织器官的影响。
通过“老少比”，科学家发现：
细胞种类变化，促炎细胞比例增加，半数以上可被节食抑制。研究发现，在9种被检测的组织中均发生了衰老相关的细胞类型组成的改变，这些变化中半数以上能够被节食所抑制。其中，与机体免疫调节密切相关的免疫细胞（如中性粒细胞和浆细胞）在年老大鼠的多种器官和组织中增加。此外，促炎型巨噬细胞相对抗炎型巨噬细胞的比例也有所增加。这些结果表明，多组织免疫炎症压力的升高是衰老的标志性特征。更为重要的是，节食可以有效地逆转免疫细胞比例在衰老过程中的异常变化。
基因表达变化，炎症相关基因表达上调，节食可逆转1/4的基因表达变化。研究者发现衰老在不同组织和细胞类型中均引起基因表达的变化，其中超过1/4的变化可以被节食逆转。这些可逆转表达的基因主要编码炎症反应和脂质代谢相关的调控蛋白和转录因子。
细胞间通讯变化，老年细胞通讯过载，节食可抑制。研究者构建了细胞类型特异的配体及其受体的调控谱，发现衰老导致多种组织的细胞间通讯过载。其中，多种与免疫细胞活化相关的细胞因子及其受体的表达在衰老过程中异常增强，而节食可以抑制这些异常变化。这一观察与细胞类型组成和基因表达层面上的分析所得到的结论相一致。
“衰老”标志基因和驱动基因被发现
在数据挖掘中，研究团队看到了多种基因的变化，结合此前的科研积累，他们发现了两个有潜在应用价值的基因。
“S100a8等炎症相关基因在衰老大鼠的40余种细胞中表达上调，而节食能够在30多种细胞类型中抑制这种变化。此外，S100A8蛋白的血清含量随衰老显著上调，且能够被节食逆转，这说明该蛋白可作为衡量机体衰老程度的潜在分子标志物。”论文通讯作者之一、中国科学院北京基因组研究所研究员张维绮介绍。
此外，研究团队发现衰老导致Ybx1基因（编码一种调节mRNA转录、剪接和翻译的蛋白）在多种细胞类型中的表达下调，而节食可以在超过20种细胞类型中逆转这种变化。张维绮表示，通过人及大鼠的脂肪干细胞的研究体系进一步发现敲低Ybx1可以诱发干细胞增殖能力降低以及炎症因子释放增加等细胞衰老表型。这些结果提示Ybx1可能是介导多组织衰老，且受节食调控的关键性节点分子。
该研究通过多种技术联合应用，首次在多器官、多组织层面上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。
据介绍，该项研究由中科院动物所、中科院生物物理所、中科院北京基因组所、中科院干细胞与再生医学创新研究院、首都医科大学宣武医院、北京协和医院、浙江大学、美国索尔克生物学研究所等机构合作完成。中科院动物所刘光慧研究员、曲静研究员，中科院北京基因组研究所张维绮研究员以及美国索尔克研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授为共同通讯作者。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。