细胞衰老是一个复杂的应激反应，影响细胞功能和机体健康。多种发育和环境因素，如辐射、氧化应激、致癌基因和蛋白质积累，激活基因和通路导致衰老。人们付出了巨大的努力来识别和描述压力和疾病系统中的衰老基因。今天给大家分享的文献是今年8月发表在《nature communications》（IF：17.694）上的一篇衰老相关的文章，作者开发了一个新的衰老基因集，一起来看看吧~

一个新的可识别衰老细胞并预测各组织中与衰老相关通路的基因集

背景

细胞衰老是指稳定细胞周期停滞的状态，是对内源性和外源性应激的反应，包括DNA损伤、端粒功能障碍、癌基因激活和细胞器应激，并与肿瘤抑制、组织修复、胚胎发生和器官衰老等过程有关。细胞衰老也可以是发生在包括胚胎发育在内的多种生物过程中的一个受控程序。衰老细胞的外源性活动与衰老相关分泌表型（SASP）的激活广泛相关，放大了细胞内源性增殖停滞的影响，并导致组织再生受损、慢性衰老相关疾病和组织衰老。目前一共有8种细胞衰老表型：复制性细胞衰老、DNA损伤诱导细胞衰老、致癌基因诱导细胞衰老、氧化应激诱导细胞衰老、化疗诱导细胞衰老、线粒体功能失调相关细胞衰老、表观遗传诱导细胞衰老和旁分泌细胞衰老。（详见：一文带你了解国自然下一热点：细胞衰老（senescence））

数据组成

1.已发表数据：

（1）RNA-seq数据：GSE72815、GSE141595、GSE141595、GSE128770、GSE94832和GSE149590

（2）scRNA-seq数据：GSE120221、GSE128423

2.自测数据：

小鼠：GSE199493

人：PRJNA826433

研究思路

本研究首先生成了一个新的衰老相关的基因集 (SenMayo)，并在人的不同组织类型数据和小鼠不同脑组织数据中进行验证分析。然后在小鼠模型中证明SenMayo不仅与衰老有关，并且会在清除衰老细胞后降低。之后将SenMayo与其他已发表的基因集进行比较，展示其优越性。最后利用scRNA-seq数据验证SenMayo在单细胞水平识别衰老细胞的能力，并通过RT-qPCR验证所筛选出的关键分子Mif的表达变化情况。

结果

1. SenMayo的开发和验证

为评估衰老和SASP相关途径是否随着人类衰老而富集，作者在两个老年人队列的RNA-seq数据中进行转录调控关系分析。结果显示，一些炎症和压力相关基因（如NFKB1、RELA 和 STAT3）在老年女性中上调（图1a-b），衰老和 SASP标志物（例如 CDKN1A/p21Cip1、CCL2 和 IL6）也在老年组中上调，（图1c）。随后，作者利用已发表的衰老/SASP基因集 (R-HSA-2559582) 在这两个队列中进行GSEA分析，但均未发现年龄相关的衰老/SASP基因有显著变化（图1d）。

接下来，作者生成了一组新的与细胞衰老相关的基因集。这个基因集是通过结合已发表的研究报告中富集在衰老和/或SASP分泌细胞中的基因，并且在人类或小鼠细胞中已得到实验验证而产生的。作者共筛选了1656项研究，在去除报告重复的研究、病例报告和非人类或非鼠类的基因后，从剩余的15项研究中最后确定了一个由 125 个基因组成的新型衰老基因组(SenMayo)，这个基因集主要由SASP因子组成，同时也包括跨膜和细胞内蛋白。结合STRING分析结果显示，SenMayo 中细胞因子/趋化因子是连接最紧密的调节因子（图1e-f）。此外，GSEA富集结果显示，衰老/SASP基因在从老年女性的骨骼样本中显著富集（图1g）。

2. SenMayo 适用于各种组织和物种

为评估 SenMayo在不同组织和物种中的适用性，作者接下来对来自年轻与老年小鼠脑组织的mRNA-seq数据（GSE14526533、GSE12877034、GSE9483235）进行了分析。使用SenMayo基因集进行GSEA分析的结果显示，衰老小鼠脑细胞（小胶质细胞）和前额叶皮层、背侧海马区域的衰老/SASP基因显著富集，而先前发表的基因集（R-HSA-2559582）则无统计学意义（图2a-d）。由此可知，SenMayo可更有效地识别与不同组织（骨/骨髓和大脑）以及物种（人类和小鼠）衰老相关的衰老细胞。

3. SenMayo可证明衰老细胞的清除

为独立验证所开发的基因集，作者进一步在p16-INK-ATTAC小鼠模型数据中进行相关分析。过往研究中，已经证明Cdkn2a/p16^Ink4a和Cdkn1a/p21^Cip1 mRNA表达水平随着小鼠骨骼的老化而增加，并且这些基因的mRNAs表达水平会在清除p16-INK-ATTAC小鼠的衰老细胞后减少，这与细胞衰老的其他标志物（如骨细胞中的端粒DNA损伤标志物）变化一致。图3a-b结果显示，SenMayo在老年小鼠骨骼中的表达水平显著升高，并且在AP治疗后的老年p16-INK-ATTAC 小鼠中显著降低。此外，PCA结果显示年轻组与AP治疗后的年老组小鼠与年轻组与空载体处理后的年老组小鼠相比具有更高的重叠率（图3c）。

上述部分是基于小鼠模型得出的结论，为进一步证明结论的可靠性，作者又在人类队列上加以验证，所用样本源于达沙替尼和槲皮素联合治疗前和治疗后11天的糖尿病肾病患者（图3d）。结果显示，在达沙替尼和槲皮素治疗后，患者皮下脂肪组织样本中SenMayo显著减少（图3e）。综上所述，SenMayo不仅与衰老有关，并且也会在清除衰老细胞后降低。

4. SenMayo 优于现有的衰老/SASP基因集

除了将SenMayo与 R-HSA-2559582衰老/SASP 基因集进行比较外，作者还在上述所有小鼠模型和人类疾病数据中将其与另外五个衰老/SASP基因组进行了比较。结果显示，SenMayo在识别不同组织和物种衰老细胞的能力以及对衰老细胞清除的反应方面都优于其他基因集（表1）。

5. SenMayo识别 scRNA-seq 数据集中的衰老细胞

尽管scRNA-Seq可展示单个细胞水平基因表达变化，但它在评估给定细胞中的细胞衰老方面一直存在缺陷。其中部分原因是 Cdkn2a/p16^Ink4a mRNA的表达水平相对较低。为测试SenMayo是否可以在单细胞水平上识别衰老细胞，作者在单细胞水平上进行GSEA分析，结果显示SenMayo在CD14+、CD16+单核细胞群以及巨噬细胞群中的富集分数最高（图4a）。通过选择衰老/SASP相关基因表达最高的前10%的细胞，作者生成了一个由6850个细胞组成的细胞簇（主要来自单核细胞），即“SASP 细胞”（图4b）。 衰老的典型标志物（如CDKN1A/p21^Cip1和TGFB1）和已发表的人类和细胞衰老相关的基因集在这些SASP细胞中表达显著增加（表2）。此外，SASP 细胞与GenAge和CellAge这两个衰老基因集中的基因具有强相关性（图4b）。

细胞通讯结果显示，SASP细胞与T细胞之间的相互作用最强，其次是单核细胞和B细胞（图 4c）。所涉及的通路中，主要组织相容性复合体I类（MHC-I）、巨噬细胞迁移抑制因子（MIF）和血小板和内皮细胞粘附分子1（PECAM1、CD31）等通路最为显著（图4d-e）。进一步的分析显示，SASP细胞的特点是以独特的共表达模式预测功能集群（如JUN和CDKN2A），并且在SASP细胞群中JUN 和 CDKN2A/p16^Ink4a 表达之间存在很强的相关性，作者推测这可能可以克服特定衰老相关基因（如CDKN2A/P16^ink4A）低表达所造成的局限性（图4f-h）。综上，上述分析证明了 SenMayo 基因集在人类骨髓 scRNA-seq 数据集中识别衰老细胞的有效性，并确定单核细胞是SASP相关细胞比例最高的造血细胞群。。

研究表明， SASP细胞也会影响周围的细胞。为探索这些细胞间相互作用，作者在包含来自骨髓和骨髓间充质细胞的scRNA-seq数据集中进行分析（图 5a）。结果显示，SenMayo高度富集的细胞（“SASP 细胞”），同样显著表达GenAge 和 CellAge（图 5b）。细胞通讯结果显示，鼠间充质SASP 细胞与骨系和软骨细胞显著相互作用（图 5c），MIF和PECAM1 通路被显著富集（图 5d）。拟时间分析显示，SASP细胞群主要有三个起源，即Lepr+MSCs、OLC 1和OLC 2，并在终端分支中最丰富，与Cdkn1a/p21^Cip1和Trp53表达变化趋势相吻合（图5e）。

6.实验验证

基于上述分析，作者认为Mif 是一个关键的SASP基因，推测它应该会随着衰老细胞负荷增加而在衰老细胞清除后减少。RT-qPCR结果显示，与年轻小鼠相比，老年小鼠骨骼中的Mif mRNA水平增加（图 6a）并且在老年INK-ATTAC小鼠中具有AP的衰老细胞的遗传清除后显著降低（图6b）。

小结

本研究开发了一个新的衰老相关的基因集，并在不同物种和不同组织类型数据中加以验证。与以往的基因集相比，SenMayo基因集更具优势，并且可以在单细胞水平有效识别衰老细胞。

最后，我们一起来看看目前的一些衰老研究思路吧~

衰老相关研究思路

思路一：衰老与非肿瘤疾病（详见：疾病顶刊收录相关文章，细胞衰老热度势不可挡）

摘要：该研究旨在探讨成纤维细胞样滑膜细胞（FLS）及其衰老在骨关节炎（OA）进展中的作用和调节机制。在患者和小鼠模型中，随着OA的进展，衰老的FLSs显著增加。作者确定OA-FLS中发生自噬受损，导致衰老相关分泌表型（SASP）上调，自噬的重建通过抑制GATA4逆转衰老表型。此外，作者首次观察到过度m6A修饰对OA-FLS中的自噬产生负调控。该研究揭示了FLS衰老在OA进展中的重要作用。在实验动物模型中，靶向METTL3抑制可以缓解FLS的衰老，限制OA的发展，为OA治疗提供了一种潜在的策略。

思路二：衰老与肿瘤（详见：细胞衰老研究如何切入？PNAS最新研究给你答案）

摘要：作者利用体细胞组织工程开发了一种快速灵活的免疫功能小鼠模型，并且分析结果揭示了对常规化疗和免疫检查点封锁的决定因素的机制的见解。结果识别了一种基因型依赖的治疗诱导的细胞衰老程序，该程序介导了一线化疗的敏感性和耐药性，指出利用衰老程序对免疫检查点封锁敏感的策略。

思路三：衰老相关landscape研究（详见：跟某大佬哈了半天酒，得到的热点：细胞衰老）

摘要：文章所使用的数据包括GTEx 50个正常组织的RNA-seq数据；大脑、睾丸和胰腺单细胞RNA-seq数据；包含6个组织的空间转录组数据。方法核心思想是共表达网络，而使用到的具体方法是MEGENA，以研究SnGs共表达特征及其细胞类型特异性。

参考文献

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3. Paffenholz SV, Salvagno C, Ho YJ, Limjoco M, Baslan T, Tian S, Kulick A, de Stanchina E, Wilkinson JE, Barriga FM, Zamarin D, Cubillos-Ruiz JR, Leibold J, Lowe SW. Senescence induction dictates response to chemo- and immunotherapy in preclinical models of ovarian cancer. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Feb 1;119(5):e2117754119.

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