科技日報記者 張佳星

延緩衰老，卡路里限制（即節(jié)食）在多個物種中被證明有效，具體分子機制卻并不明確。

2月27日，《Cell》雜志在線發(fā)表題為“Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape of RattusNorvegicus Aging”（《能量限制重塑大鼠衰老的單細胞轉錄圖譜》）的研究論文。中國科學院動物研究所劉光慧研究組、曲靜研究組、中國科學院基因組研究所張維綺研究組，及美國索爾克生物學研究所等科研機構合作，以嚙齒類動物大鼠（Rattus norvegicus）為研究對象，基于高通量單細胞和單核轉錄組測序技術，通過對年輕任意進食組、年老任意進食組、年老節(jié)食組的20多萬個單細胞及細胞核的轉錄組分析，繪制了衰老和節(jié)食狀態(tài)下不同組織器官的分子網(wǎng)絡圖譜。分析該圖譜，研究者發(fā)現(xiàn)超過1/2的衰老細胞和1/4的衰老基因能被“七分飽”逆轉。

逐個細胞摸底：9大組織20萬細胞變老是啥樣？

研究團隊用大鼠做試驗，將一批實驗大鼠分為3組，分別是：年輕任意進食組、年老任意進食組、年老節(jié)食組。

衰老和節(jié)食影響大鼠多組織穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)生物學研究

“年輕組大鼠用于對照，看中年階段的大鼠開始節(jié)食能不能延緩機體的衰老。”論文通訊作者之一、中國科學院動物研究所研究員曲靜對科技日報介紹，研究者從中年期開始對大鼠進行“七分飽”（任意進食量70%的卡路里攝入量）干預，持續(xù)節(jié)食9個月。

對于年老節(jié)食組的干預相當于人類從中年（約40-45歲）開始節(jié)食，一直持續(xù)到70歲。

“我們分別對3組大鼠的皮膚、主動脈、棕色脂肪、白色脂肪、肝臟、腎臟、骨髓這7種組織中取到的細胞進行單細胞測序，對腦、骨骼肌這兩種組織的不同細胞進行單細胞核測序?！鼻o介紹，值得注意的是每種組織有不同的細胞類型。細胞種類的多樣性決定了組織器官的異質性和復雜性，導致各組織器官在衰老過程中呈現(xiàn)出不同的細胞及分子特性，但是傳統(tǒng)的研究技術難以精確地揭示這些細胞類型特異性的分子變化及調(diào)控規(guī)律。

高通量單細胞測序技術能夠對數(shù)十萬包括不同種類的單個細胞進行測序，此次繪制的細胞圖譜中涉及到的細胞類型有百余種。這是首個針對哺乳動物衰老和節(jié)食的跨越多個器官的單細胞轉錄組圖譜研究，從不同維度系統(tǒng)地評估了衰老和節(jié)食對機體不同類型組織細胞的影響，揭示了節(jié)食通過調(diào)節(jié)多組織的免疫炎癥通路進而延緩衰老的新型機制。

解讀圖譜，“七分飽”這樣逆轉衰老

平常生活里，“老了”意味著皺紋變多、頭發(fā)變白、跑不動了……這些都是生命個體的身體體征，判斷細胞變老則需要細胞層面的“體征”。

通多對年輕的細胞和年老的細胞的對比，研究者從細胞類型組成、細胞類型特異性差異表達基因、核心調(diào)控轉錄因子及細胞間信號通訊網(wǎng)絡等方面，尋找到衰老的表現(xiàn)，并全方位解析了衰老和節(jié)食對大鼠不同組織器官的影響。

通過“老少比”，科學家發(fā)現(xiàn)：

細胞種類變化，促炎細胞比例增加，半數(shù)以上可被節(jié)食抑制。研究發(fā)現(xiàn)，在9種被檢測的組織中均發(fā)生了衰老相關的細胞類型組成的改變，這些變化中半數(shù)以上能夠被節(jié)食所抑制。其中，與機體免疫調(diào)節(jié)密切相關的免疫細胞（如中性粒細胞和漿細胞）在年老大鼠的多種器官和組織中增加。此外，促炎型巨噬細胞相對抗炎型巨噬細胞的比例也有所增加。這些結果表明，多組織免疫炎癥壓力的升高是衰老的標志性特征。更為重要的是，節(jié)食可以有效地逆轉免疫細胞比例在衰老過程中的異常變化。

基因表達變化，炎癥相關基因表達上調(diào)，節(jié)食可逆轉1/4的基因表達變化。研究者發(fā)現(xiàn)衰老在不同組織和細胞類型中均引起基因表達的變化，其中超過1/4的變化可以被節(jié)食逆轉。這些可逆轉表達的基因主要編碼炎癥反應和脂質代謝相關的調(diào)控蛋白和轉錄因子。

細胞間通訊變化，老年細胞通訊過載，節(jié)食可抑制。研究者構建了細胞類型特異的配體及其受體的調(diào)控譜，發(fā)現(xiàn)衰老導致多種組織的細胞間通訊過載。其中，多種與免疫細胞活化相關的細胞因子及其受體的表達在衰老過程中異常增強，而節(jié)食可以抑制這些異常變化。這一觀察與細胞類型組成和基因表達層面上的分析所得到的結論相一致。

“衰老”標志基因和驅動基因被發(fā)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)挖掘中，研究團隊看到了多種基因的變化，結合此前的科研積累，他們發(fā)現(xiàn)了兩個有潛在應用價值的基因。

“S100a8等炎癥相關基因在衰老大鼠的40余種細胞中表達上調(diào)，而節(jié)食能夠在30多種細胞類型中抑制這種變化。此外，S100A8蛋白的血清含量隨衰老顯著上調(diào)，且能夠被節(jié)食逆轉，這說明該蛋白可作為衡量機體衰老程度的潛在分子標志物。”論文通訊作者之一、中國科學院北京基因組研究所研究員張維綺介紹。

此外，研究團隊發(fā)現(xiàn)衰老導致Ybx1基因（編碼一種調(diào)節(jié)mRNA轉錄、剪接和翻譯的蛋白）在多種細胞類型中的表達下調(diào)，而節(jié)食可以在超過20種細胞類型中逆轉這種變化。張維綺表示，通過人及大鼠的脂肪干細胞的研究體系進一步發(fā)現(xiàn)敲低Ybx1可以誘發(fā)干細胞增殖能力降低以及炎癥因子釋放增加等細胞衰老表型。這些結果提示Ybx1可能是介導多組織衰老，且受節(jié)食調(diào)控的關鍵性節(jié)點分子。

該研究通過多種技術聯(lián)合應用，首次在多器官、多組織層面上系統(tǒng)地解析了機體衰老的細胞和分子變化規(guī)律，揭示了慢性炎癥是哺乳動物機體和器官衰老的共性特征，為衰老預警提供了新型生物學標志物。

據(jù)介紹，該項研究由中科院動物所、中科院生物物理所、中科院北京基因組所、中科院干細胞與再生醫(yī)學創(chuàng)新研究院、首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院、北京協(xié)和醫(yī)院、浙江大學、美國索爾克生物學研究所等機構合作完成。中科院動物所劉光慧研究員、曲靜研究員，中科院北京基因組研究所張維綺研究員以及美國索爾克研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授為共同通訊作者。中科院動物所馬帥助理研究員、中科院生物物理所孫淑慧助理研究員、首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院耿令令副研究員以及中科院動物所宋默識研究員為并列第一作者。中科院動物所周琪院士、首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院陳彪教授以及浙江大學郭國驥教授為共同高級作者。該研究獲得國家科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等項目資助。