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创建时间
Oct 17, 2024 06:50 AM
2020年11月24日，来自中国科学院动物研究所刘光慧课题组、曲静课题组以及中国科学院北京基因组研究所张维绮课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell联合发表了名为“A single-cell transcriptomic atlas of human skin aging”的研究论文，首次绘制出了人类皮肤衰老的单细胞转录组图谱，系统地揭示了皮肤衰老过程中细胞类型特异性转录网络的变化
机体衰老，是每个人随着年龄增长都不可避免的过程，其中皮肤变化是最明显的衰老迹象之一。进入中年以后，我们的皮肤逐渐松弛，面部开始出现皱纹。尽管已有研究指出皮肤衰老是由于弹性组织的损失和皮层变薄，但从微观角度，由于皮肤各类细胞的高度特异性，传统方法难以准确揭示这一现象背后的细胞特异性分子及其作用机制，这阻碍了我们对皮肤衰老的理解及对于相关疾病的干预。
▲图1. 人皮肤衰老的单细胞转录组图谱研究
本文研究策略及结果概要
我们的皮肤由三层结构组成：表皮，真皮和皮下组织。最外面的表皮起到抵抗外部环境的物理屏障的作用，其主要由角质形成细胞构成，其可进一步分为：基底细胞（BC），棘细胞（SC）和颗粒细胞（GC）。此外，表皮还包含能够抵抗紫外线的黑素细胞和能介导外来病原体免疫识别的朗格汉细胞（LC）。相比之下，真皮中充满了维持皮肤强度和弹性的细胞外基质（ECM）和真皮成纤维细胞、免疫细胞和内皮细胞。在表皮和真皮之间是对细胞间通讯和黏连至关重要的真皮-表皮连接层（DEJ）。介于皮肤不同类型细胞的高度异质性和动态性，传统的RNA测序（RNA-seq）往往只能提供细胞和组织基因表达的总体或平均水平，难以真正揭示出皮肤衰老的相关机制，而单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的出现则为从单细胞水平探索皮肤生理和病理情况下转录组的变化提供了前所未有的机会。
在本研究中，研究人员获得了一组来自不同年龄段健康女性的眼睑皮肤样品，将其分为三组：青年（Y）、中年（M）和老年组（O），并比较了各组之间的形态学以及各类型细胞的基因表达模式差异。
单细胞转录组分析鉴定出皮肤中不同细胞类型及其分布随年龄的变化
对于样品的形态学分析显示，表皮厚度、真皮-表皮连接层的卷积和胶原蛋白密度在皮肤衰老过程中不断降低，并且各类型细胞的细胞密度也随着增龄而有所下降。为了在单细胞水平研究皮肤衰老过程中细胞类型特异性基因的表达变化，研究人员利用scRNA-seq和生物信息学分析，根据不同细胞特定标志物的表达规律识别了11种细胞类型，包括基底细胞、有丝分裂细胞、黑素细胞、棘细胞、颗粒细胞、内皮细胞、免疫细胞和成纤维细胞等，对于每类细胞标记基因的分析显示出其独特的转录特征和与其物理功能相关的富集通路。
▲图2. 利用scRNA-seq分析鉴定不同年龄段皮肤中细胞的类型
单细胞分辨率下不同类型细胞中基因表达水平在皮肤衰老过程中的变化
为了在单细胞水平上探究皮肤衰老的机制，研究人员从三组样本中鉴定了数千个差异表达的基因（DEG）。除了DEG数据显示出的不同基因表达的上调或下调，研究人员还注意到，中年组在转录组水平上更接近老年组，表明在中年时皮肤已经进入衰老的早期。GO富集分析显示，在不同类型细胞中，主要与炎性反应、氧化应激和细胞凋亡相关的基因随年龄增长被上调，而主要与上皮细胞增殖和DNA修复有关的基因随着年龄增长被下调。这些结果表明，在老年组的皮肤中发生了一系列以炎症反应、光损伤和上皮维持障碍为特征的细胞类型特异性分子变化，并且可能导致皮肤对于与衰老相关皮肤疾病的敏感性增加。
表皮与真皮中不同细胞亚群关键基因表达水平的改变
接下来本研究分别探究了表皮和真皮中不同种类细胞的基因表达水平变化。在表皮中，由于基底层细胞能够通过不断增殖分化来维持皮肤屏障的稳定和更新，因此研究人员着重探索了基底细胞的异质性。表皮基底细胞被分为六个亚群，每个亚群中与年龄相关的DEG通过层次聚类被确定。研究人员发现许多DEG在各亚群中是共享的。例如，在衰老过程中，炎症因子IFI27在6个亚群的表皮基底细胞中普遍上调；衰老细胞的分子标记物CDKN1A在三个亚群中上调，而屏障功能相关基因在衰老过程中在三种以上的基底细胞亚群中下调，此外，重要的皮肤发育基因KLF5和KLF6也有不同程度的下调，而KLF6的下调导致促炎因子表达上调以及细胞增殖能力下降。这些数据表明，与增龄相关的关键转录因子的减少可能是表皮自我更新衰退和衰老的重要因素。
在真皮中，本研究选取了对于伤口愈合至关重要的成纤维细胞，并通过特征基因进一步定义了成纤维细胞的亚群。研究发现，在所有11种皮肤细胞类型中，成纤维细胞具有最高水平的衰老相关转录变异性。与表皮基底细胞相似，随着皮肤衰老，成纤维细胞中炎性因子表达上调，而涉及细胞增殖、DNA损伤修复相关的基因表达则被下调，其中包括核心调节性转录因子HES1在内的多种转录因子是下调最多的基因。通过对于表达下调最为严重的转录因子的进一步实验揭示了HES1的下调是成纤维细胞衰老的潜在驱动因素，而内源激活或过表达HES1则有助于细胞增殖和抑制细胞衰老。此外，本研究还发现通过补充一种称为槲皮素的化合物，可以延缓紫外线照射后的或缺乏HES1的皮肤成纤维细胞的衰老，从而为干预和减缓皮肤衰老提供了新策略。
小结
综上，本研究利用scRNA-seq确定了不同类型细胞中独特的基因表达特征以及随着年龄增长各个基因表达水平的变化，从而描绘出了一幅全面的人类皮肤衰老过程转录组图谱，为理解皮肤衰老和治疗相关疾病提供了新的思路。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者刘光慧研究员代表团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：与传统RNA测序技术相比，本研究采用的主要技术单细胞RNA测序的优势有哪些？
刘光慧研究员：传统的RNA测序方法（Bulk RNA-sequencing）检测的是一块组织的成千上万个细胞，得到的是这些细胞内基因的平均转录本水平。而皮肤组织中包含多种细胞类型，理论上每一种细胞类型在衰老过程中的基因表达变化都有可能不同，这是传统RNA测序方法无法检测到的。单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing）技术可以发现皮肤中新的细胞类型或细胞亚型，因而能揭示衰老过程中细胞群体组成的变化，同时检测到每种（每个）细胞内随衰老发生的基因表达变化，进而可以阐明细胞类型特异的基因表达变化规律，这是单细胞RNA测序方法的优势所在。
CellPress：本研究鉴定出了人类眼部皮肤各细胞亚群在衰老过程中关键因子表达水平发生的变化，首次描绘出了人类眼部皮肤衰老的单细胞转录组图谱。这对于今后的衰老问题研究将带来何种启示/影响？可能会有哪些应用？
刘光慧研究员：皮肤是人体与外界的第一道防线，被认为是最先出现衰老表征的组织之一。其中，眼部皮肤的衰老一直受到人们的广泛关注。我们通过单细胞测序和基因调控网络分析发现，随着年龄的增长，关键转录因子KLF6和HES1在特定皮肤细胞类型中的下调表达，是引发皮肤衰老的关键驱动因素。同时，我们的研究也发现，天然植物化合物槲皮素可以延缓人真皮成纤维细胞的衰老。希望这项研究可以为深入揭示人类皮肤衰老的机制提供参考数据，更希望能为皮肤衰老的干预提供新的线索和思路。
CellPress：您团队在本研究中遇到的最大困难是什么？是如何克服的？
刘光慧研究员：衰老研究的挑战之一是器官衰老的异质性。皮肤是很复杂的组织体系，细胞类型异质性高。经过一段时间的条件摸索，我们优化了皮肤组织的单细胞分离方法，最大程度地保持了分离所得细胞的活力。基于单细胞测序结果，我们鉴定出了涵盖真皮层及表皮层的11种细胞类型，其中表皮层的基底细胞又可以进一步细分为6种不同的亚群。我们对这些皮肤细胞类型和亚群在衰老过程中的细胞比例以及基因表达变化情况都进行了细致的分析。同时，我们对从年轻、中年和年老个体皮肤获得的数据进行了整合分析，确定了皮肤衰老的关键时间节点，进而鉴定出随着衰老发生变化的基因表达模式。通过分析，我们发现中年组与老年组的皮肤相较于年轻组具有更为相似的转录组特征，这提示中年人眼部皮肤细胞内的基因表达已经呈现出明显的“衰老”特征，因此，中年时期可能是皮肤退行性演变的重要时间节点。此外，还有一个科学问题是，能否找到导致皮肤衰老的关键驱动力？通过对衰老相关差异基因调控网络的分析，我们预测了数个可能调控皮肤衰老的转录因子。进而通过在相应原代皮肤细胞中进行基因敲减或基因激活，我们最终揭示了上述两个核心转录因子KLF6和HES1在调控人类皮肤衰老中的核心作用。
CellPress：衰老一直是研究人员关注和公众关心的焦点话题，那么您团队下一步有什么计划？是否会针对这些表达水平变化进行进一步研究？
刘光慧研究员：人类衰老研究领域一直存在着三个基本的科学问题：（1）我们究竟有多老？（2）我们为什么会老？（3）我们能否老得慢些？第一个问题涉及到衰老程度的科学评估，第二个问题涉及衰老发生的机制，第三个问题则是指衰老的干预。考虑到灵长类器官和组织衰老的异质性及复杂性，开展单细胞组学研究是回答上述三个问题的关键途径。例如，单细胞测序中发现的差异表达基因可以用作评价皮肤衰老的新型生物学标记物，皮肤衰老过程中失活的核心转录因子可能成为提高皮肤活力的分子靶标，而对这些转录因子的重新激活（如通过基因治疗手段或寻找相关小分子化合物）则可能为延缓皮肤衰老提供新策略。