Cell：曹俊越团队揭示衰老和AD祖细胞类型及表观遗传特征

成年哺乳动物大脑中不断的产生新的神经元和神经胶质细胞，这是一个与记忆、学习和压力相关的关键过程。通常认为神经发生和少突胶质细胞的生成会随着年龄增长和神经病理情况而减少，但究竟减少到什么程度还存在争议。此外，原祖细胞是通过严格的、复杂的表观遗传程序控制的，目前对其表观遗传学图谱及其在衰老过程中如何变化的知识仍然有限。因此，定量捕捉新生细胞并追踪其转录组和染色质状态变化的新方法对于了解发育、衰老和疾病状态下的细胞群动态至关重要。

最近，洛克菲勒大学的曹俊越团队在CELL发表了题为Tracking cell-type-specific temporal dynamics in human and mouse brains的文章，利用TrackerSci并基于小鼠模型研究了不同年龄段以及阿尔茨海默病大脑中新生细胞的动态变化。

TrackerSci是一种单细胞组合索引方法，它整合了点击化学，通过使用EdU标记新合成DNA，以及用于转录组或染色质可及性分析的单细胞组合索引测序。本研究使用TrackerSci检测了来自整个小鼠大脑的14,689个新生细胞的单细胞转录组和染色质可及性动态，这些细胞涵盖了三个年龄阶段和两种基因类型的整个小鼠大脑。数据集揭示了大脑中不同的祖细胞类型及其表观遗传特征。该研究通过TrackerSci发现了几种以前被忽视的增殖细胞类型，如血管细胞、蛛网膜屏障细胞和垂体干细胞，还确定了各种新生细胞类型的分子特征，发现了比这些细胞的传统标记物更具特异性的标记物，如神经发生标记物Tead2和Esco2，它们比著名的神经发生标记物（如Sox2和Dcx109）具有更高的特异性。与以往主要强调基因表达的研究相比，TrackerSci提供了新生细胞中基因表达和表观遗传的综合视图以探索基因表达特征背后的表观遗传基础。

图1 TrackerSci工作流程和实验方案。

随着年龄的增长，祖细胞的自我更新和再生能力会下降，研究中观察到不同祖细胞类型有不同的细胞反应。值得注意的是，衰老导致神经元祖细胞的增殖潜能明显降低，而反应性小胶质细胞的增殖能力增强。虽然少突胶质细胞祖细胞的增殖受到轻微影响，但中间分化前体在早期阶段就显著下降，这表明衰老主要阻碍了其分化过程。研究发现参与细胞增殖（如Ei24、Arhgap11a、Lzts1和Cep57）和神经发生调控（如Prdm10、Nrg1、Nrg3和Nr2f1）的驱动基因，在使用来自年轻和衰老大脑的NPCs进行CRISPR筛选时得到了进一步证实。此外，检测到OPCs中Smpd4的表达随年龄增长而增加，Sgms1的表达随年龄增长而减少，这表明细胞神经酰胺水平高与衰老引起的少突胶质细胞分化抑制有关。

本研究进一步量化了与年龄相关的细胞类型特异性增殖和分化的变化，并破译了相关的分子程序，同时将研究扩展到老年人脑中的祖细胞，发现了跨物种的保守遗传特征，并确定了特定区域的细胞动态。

本研究展示了TrackerSci数据集作为检测人脑中罕见增殖或分化细胞锚点的潜力。通过对老龄人脑五个解剖区域的近80万单个细胞核进行分析，并与TrackerSci数据集进行整合，发现了老龄人脑中稀有祖细胞的区域特异性和细胞类型特异性特征，并观察到了不同物种少突发生的保守和差异分子特征。虽然初步分析并未在老年人脑样本中发现明确的神经发生相关群体（可能是由于神经发生细胞的固有稀缺性或对神经发生区域的非靶向取样造成的），但发现小脑中的少突胶质细胞相对于其他脑区有所减少，并发现了特定区域的基因控制机制，并进一步强调了该技术在鉴定人类样本增殖事件方面的潜力。

图2 TrackerSci有助于识别人脑中增殖和分化的细胞

综上所述，本研究通过对大脑新生细胞单细胞转录组和染色质可及性动态的全面观察，可以深入了解与衰老相关的细胞类型特异性增殖和分化变化以及相关的分子程序，朝着了解衰老对哺乳动物大脑祖细胞增殖和分化潜能的影响迈出的关键一步。TrackerSci将被广泛用于识别和量化不同系统的细胞生成过程，包括其他哺乳动物器官和人源化器官组织。类似的策略（即将sci-seq平台与体内细胞标记相结合）同样适用于其他关键研究，如细胞类型特异性存活、凋亡和衰老状态。这将有助于全面了解衰老过程中调控细胞类型特异性动态的分子程序，从而为衰老相关疾病患者恢复组织稳态的潜在途径提供信息。

参考文献：Lu et al., Tracking cell-type-specific temporal dynamics in human and mouse brains, Cell (2023), https:// doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.042

编译作者：张建国（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）