人為什么會(huì)衰老？同樣步入老齡，為什么有的人思維依舊清晰敏捷，有的人卻早早出現(xiàn)認(rèn)知衰退？這些讓人疑惑的問(wèn)題，科學(xué)界始終沒(méi)能給出清晰的答案。

近日，西安電子科技大學(xué)聯(lián)合基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人畜共患傳染病重癥診治全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位，歷經(jīng)數(shù)年攻關(guān)，成功繪制出全球首個(gè)覆蓋全生命周期的食蟹猴腦多模態(tài)細(xì)胞圖景，系統(tǒng)解析了靈長(zhǎng)類腦衰老的細(xì)胞調(diào)控規(guī)律及其與腦疾病的關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《細(xì)胞》。

“整個(gè)研究中最不確定的是，這么復(fù)雜的數(shù)據(jù)最后會(huì)不會(huì)只是一堆零散現(xiàn)象，能不能形成一個(gè)清晰的生物學(xué)故事。”論文共同第一作者、西安電子科技大學(xué)博士生馬雯承擔(dān)了該研究的部分核心數(shù)據(jù)分析工作。面對(duì)近300萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核帶來(lái)的海量數(shù)據(jù)，她和團(tuán)隊(duì)反復(fù)識(shí)別、比對(duì)與拼接，直到一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)排除了偶然的可能性，他們才向著揭開(kāi)大腦衰老的秘密邁出了重要一步。

填補(bǔ)三重空白

在這項(xiàng)研究之前，學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大腦衰老不是單一事件，而是很多過(guò)程共同逐步變差，這些變化還與阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病存在交叉。但真正卡住研究者的是三重空白：一是缺少覆蓋全腦、多區(qū)域、單細(xì)胞精度的系統(tǒng)數(shù)據(jù)；二是缺少一種既接近人類又能被完整追蹤終生的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�；三是過(guò)去大多只看到“哪些基因表達(dá)變了”，卻不知道更上游的調(diào)控開(kāi)關(guān)是不是也同步變化了。這個(gè)“開(kāi)關(guān)”可以理解成決定基因該不該被打開(kāi)、打開(kāi)多大的一個(gè)DNA片段，專業(yè)術(shù)語(yǔ)為“調(diào)控位點(diǎn)”。

“我們想要補(bǔ)的，正是這些空白�！瘪R雯說(shuō)。團(tuán)隊(duì)選定食蟹猴為主要研究對(duì)象，這是一種在腦組織結(jié)構(gòu)和分子機(jī)制上更接近人類的靈長(zhǎng)類動(dòng)物。他們選取23只雌性個(gè)體、8個(gè)腦區(qū)，同步開(kāi)展兩種單細(xì)胞組學(xué)測(cè)序，第一次把“全生命周期”納入數(shù)據(jù)里。其中，28歲以上的食蟹猴已達(dá)人工飼養(yǎng)壽命極限，極為罕見(jiàn)，為解析極端長(zhǎng)壽背后的分子基礎(chǔ)留出一扇從未打開(kāi)過(guò)的窗。后續(xù)跨物種比對(duì)也證實(shí)，食蟹猴的正常衰老過(guò)程與人類存在相當(dāng)程度的轉(zhuǎn)錄相似性，同時(shí)能與阿爾茨海默病的分子機(jī)制明確區(qū)分。該研究不是簡(jiǎn)單地“替代人”，而是理解人類正常大腦衰老機(jī)制的近似模型。

“我主要負(fù)責(zé)大規(guī)模單細(xì)胞核ATAC-seq，以及snRNA-seq和snATAC-seq的整合分析�！瘪R雯解釋說(shuō)，一種技術(shù)關(guān)注“哪些基因被打開(kāi)或關(guān)上”，另一種技術(shù)關(guān)注“染色體上哪些區(qū)域被松開(kāi)、允許被讀取”，兩者對(duì)照才能既看到結(jié)果，又看到結(jié)果背后的“開(kāi)關(guān)”。從近300萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核里識(shí)別細(xì)胞類型、比較年齡變化、聯(lián)系腦區(qū)與疾病風(fēng)險(xiǎn)，相當(dāng)于在一座從未被測(cè)繪過(guò)的城市里畫出第一版街道圖。

讀懂48萬(wàn)余個(gè)細(xì)胞

“直接數(shù)差異基因就像數(shù)一個(gè)房間里有多少盞燈壞了，這個(gè)數(shù)字有用，但不能告訴你壞的是小夜燈，還是總電閘�！瘪R雯說(shuō)。因此，團(tuán)隊(duì)側(cè)重采用一種衡量細(xì)胞整體轉(zhuǎn)錄擾動(dòng)強(qiáng)度的方法，從而能夠捕捉到“變化集中在關(guān)鍵功能網(wǎng)絡(luò)”這種單純靠基因數(shù)量無(wú)法識(shí)別的信號(hào)。

由此也打破了神經(jīng)元數(shù)量“看似穩(wěn)定”的表象：許多神經(jīng)元內(nèi)部的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)早已被悄悄重塑，突觸信號(hào)、蛋白折疊、能量代謝等程序都在改變�！熬拖褚慌_(tái)機(jī)器，從外面看還在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但內(nèi)部的齒輪、管路都在磨損，運(yùn)行系統(tǒng)已經(jīng)老化�！瘪R雯說(shuō)。更讓人意外的是，這種劇烈重塑集中發(fā)生在青年邁向中年的階段，遠(yuǎn)早于人能察覺(jué)到的功能衰退發(fā)生的時(shí)間。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，前額葉皮層里參與突觸形成的關(guān)鍵信號(hào)在衰老進(jìn)程中普遍下調(diào)�！安恢皇悄硞�(gè)神經(jīng)元內(nèi)部變老了，而且神經(jīng)元之間建立聯(lián)系、維持突觸的信號(hào)也變?nèi)趿��！绷硪粋�(gè)變化發(fā)生在大腦里負(fù)責(zé)“打掃衛(wèi)生”的小膠質(zhì)細(xì)胞，它分泌的抑炎信號(hào)也明顯減弱。團(tuán)隊(duì)由此提出一個(gè)尚待驗(yàn)證的假說(shuō)：髓鞘受損壓低抑炎信號(hào)，炎癥控制變差后又反過(guò)來(lái)影響髓鞘維護(hù)，三者可能構(gòu)成自我強(qiáng)化的惡性循環(huán)。

沿著這條線索深挖，大腦深處那片常年被忽視的腦橋與延髓區(qū)域，在細(xì)胞比例、轉(zhuǎn)錄擾動(dòng)、髓鞘譜系、細(xì)胞通信等多個(gè)完全獨(dú)立的分析維度中反復(fù)顯現(xiàn)，成為衰老負(fù)擔(dān)最重的區(qū)域。“開(kāi)始我們預(yù)測(cè)前額葉、海馬這些和認(rèn)知更直接相關(guān)的區(qū)域最突出�！瘪R雯說(shuō)，但不同分析方法都指向同一個(gè)區(qū)域，并非某一個(gè)指標(biāo)的偶然偏高。這不是某一細(xì)胞的孤立損傷，更像“整個(gè)交通系統(tǒng)同時(shí)出問(wèn)題”，意味著未來(lái)干預(yù)可能需要組合手段，而非單靶點(diǎn)藥物。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，衰老不是簡(jiǎn)單地把所有的燈“調(diào)亮”或“調(diào)暗”，而是在不同細(xì)胞、不同腦區(qū)里重新布了一套線路。一個(gè)格外能說(shuō)明問(wèn)題的例子是，同一個(gè)小膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)基因附近有好幾個(gè)“開(kāi)關(guān)”可以控制它，其中一個(gè)開(kāi)關(guān)在前額葉皮層，隨著年齡增長(zhǎng)穩(wěn)定地被“調(diào)滅”，而另一個(gè)開(kāi)關(guān)在腦橋和延髓，卻是先“調(diào)暗”后又“調(diào)亮”。“這說(shuō)明基因調(diào)控不是‘一個(gè)基因一個(gè)開(kāi)關(guān)’，而是‘一個(gè)基因有好幾個(gè)開(kāi)關(guān)，不同房間用不同的那一個(gè)’。”

更值得關(guān)注的是，一處與阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn)直接相關(guān)的“開(kāi)關(guān)”，在海馬的小膠質(zhì)細(xì)胞里隨年齡逐漸被“調(diào)滅”，但卻在腦橋和延髓的同類細(xì)胞中被越調(diào)越“亮”。“這提示我們，疾病易感性可能來(lái)自風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)和局部腦區(qū)環(huán)境的交互，而不是由風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)本身單獨(dú)決定一切。”馬雯說(shuō)。

面對(duì)如此龐雜的證據(jù)體系，馬雯和團(tuán)隊(duì)沒(méi)有依賴單一分析下結(jié)論，而是讓細(xì)胞比例、整體轉(zhuǎn)錄擾動(dòng)、細(xì)胞通信、調(diào)控變化、跨物種比較這些結(jié)果彼此印證。最終，他們系統(tǒng)識(shí)別出48萬(wàn)余個(gè)細(xì)胞類型特異的基因調(diào)控“開(kāi)關(guān)”，為后續(xù)研究提供了一份前所未有的精細(xì)數(shù)據(jù)集。

人類衰老認(rèn)知推進(jìn)一大步

團(tuán)隊(duì)跨物種比對(duì)還證實(shí)了一個(gè)打破常識(shí)的結(jié)論：阿爾茨海默病的分子病變機(jī)制并非正常大腦衰老的加速版本，而是一套完全獨(dú)立的病變通路。這也解釋了為什么單純延緩衰老無(wú)法真正阻斷神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展。研究還發(fā)現(xiàn)，雌性食蟹猴的大腦衰老分子變化比雄性更突出，這與臨床上女性阿爾茨海默病發(fā)病率更高的現(xiàn)象高度吻合。

如今，團(tuán)隊(duì)搭建的專屬數(shù)據(jù)庫(kù)已向全球免費(fèi)開(kāi)放，原始數(shù)據(jù)與分析代碼也同步公開(kāi)。團(tuán)隊(duì)期待更多研究者能用這份數(shù)據(jù)，找到過(guò)去難以獲得的坐標(biāo)，在靈長(zhǎng)類全生命周期中追蹤同一種細(xì)胞的衰老軌跡，把基因表達(dá)變化和染色質(zhì)開(kāi)放變化對(duì)應(yīng)起來(lái)，把疾病風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)放回具體腦區(qū)加以解釋。

馬雯表示，盡管團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有直接給出“怎樣干預(yù)就能健康老去”的答案，但該研究將回答相關(guān)問(wèn)題向前推進(jìn)了一大步——從籠統(tǒng)描述“大腦會(huì)衰老”，推進(jìn)到明確哪些腦區(qū)、哪些細(xì)胞、哪些通路最值得進(jìn)一步探索。（記者 李媛 通訊員 唐羽琴）