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Science | 单细胞转录组测序研究衰老如何影响免疫系统反应
发布日期：2017-12-25浏览：
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导读
为什么随着年龄的增加，免疫系统反应会变得越来越低效？这又是如何导致的呢？本研究利用单细胞转录组测序阐述了在幼鼠和成鼠两个不同的类群中，老龄化是如何通过刺激或非刺激naïve和效应记忆CD4+ T细胞影响其转录动态变化的。研究结果于2017年3月以《Aging increases cell-to-cell transcriptional variability upon immune stimulation》为题发表在《Science》上。
研究摘要
本研究选取幼鼠和成鼠两个不同的类群，利用单细胞转录组测序技术来研究衰老的分子机制。在幼鼠中，免疫激活驱动一个保守的转录开关，导致严格控制的基因表达，这种表达以核心活性程序的强烈上调为特点，并且伴有细胞与细胞之间的变异性降低。老化扰乱了这个核心过程的激活，并且增加了这两个群体间细胞群体表达的异质性。这些发现表明，增加的细胞间的转录异质性将会是大多数哺乳动物（即便不是全部）衰老的一个特征。
研究思路及方法
1. 选取小鼠B6及CAST两个近交系，小鼠具有相近的寿命及衰老表型。分别分为幼年组（~3 months）和老龄组（~21 months）。
2. 解剖获得小鼠脾脏。分选出Naïve CD4+T细胞。
3. 纯化分选出的细胞，每组分选出的细胞再分为两组，一组不予刺激，一组给予体外刺激3小时。
4. 分别进行单细胞转录组测序研究。
主要结果
1. Naïve CD4+T细胞表达特征研究：共获得1514组高质量Naïve CD4+T细胞转录组信息，可按照不同种属来源分群（Fig.1B），两个种属间存在15%的基因表达差异（Fig.1C）种属特异性表达的基因在细胞间水平上较物种间更具有异质性（Fig.1D）。
图1 两类小鼠中分离的naïve CD4+ T细胞的基因表达水平及细胞-细胞异质性间的差异
2. 给予免疫刺激后不同小鼠细胞的转录特征研究：用CD3ε和CD28给予3小时体外刺激（Fig.2A）发现，在幼鼠中激活CD4+T细胞会导致广泛的转录变化，共有2063个基因转录表达发生显著性差异变化（Fig.2B）。研究中发现，给予刺激之后转录水平没有发生变化的基因，其细胞间的转录异质性降低（Fig.2C）。给予刺激之后，更多细胞中出现了基因表达上调（Fig.2D）。在针对刺激前后细胞中的基因表达变化的研究中（Fig.2E-G），发现活化CD4+T细胞后，即便表达不上调的基因，在细胞间的异质性变小，而sell(Cd62l)出现协调性表达下调。从CAST品系中分离的CD4+T细胞也表现出相似的分子表型。
图2 naïve CD4+ T细胞的激活诱发转录
3. 比较不同种小鼠的表达变化，获得免疫激活核心程序：研究通过寻找物种间及在大多数细胞中的表达水平比较均一的基因，确定了免疫激活刺激的功能靶点。两个品系小鼠中共有225个与免疫刺激活化的细胞过程相关的上调基因，并且在多数CD4+T细胞中均有表达（Fig.3）。种属特异性基因也没有富集在生物功能上，且只有零星表达。于是，筛选出的目标基因主要与翻译调控及免疫功能相关，代表了保守的早期活化反应特征。
图3 种间比较CD4+T细胞的表达
4. 衰老对免疫应答的影响研究：由于衰老可导致造血干细胞系我更新及分化的功能平衡性变化，研究中也考虑老化是否也会造成CD4+T细胞对免疫刺激的转录反应的扰乱。研究中发现在幼鼠和成鼠中有约10%的基因存在差异性表达。这类基因仅在一小部分细胞中有表达，且在两种小鼠中并不保守。大部分处于核心免疫激活程序的基因在免疫刺激后都会有反应，不论年龄大小。但是，在老化的老鼠中，这种反应的幅度不断降低（Fig.4A）。伴随老化过程，这些有响应的基因平均表达量不会发生变化，但转录的异质性增大（Fig.4B）。在研究中的两个品系的小鼠中，活化过程中的基因在老年小鼠的细胞中表达都较少（Fig.4C）。
图4 CD4+T细胞早期激活期间衰老增加细胞-细胞间的异质性
5. 在免疫系统的其他细胞中是否存在同样的现象，研究分选了effector mamory CD4+T细胞开展了同样的研究，发现也存在伴随衰老过程，细胞的转录异质性增加的情况。
参考文献：Martinez-Jimenez C P, Eling N, Chen H C, et al. Aging increases cell-to-cell transcriptional variability upon immune stimulation[J]. Science, 2017, 355(6332): 1433-1436.
