《神经元》：大脑如何衰老？55000个细胞多组学分析揭秘！

近日，索尔克研究所和加州大学圣地亚哥分校的研究人员分析了来自年轻和衰老大脑的前额叶皮层神经元，描述了细胞类型组成、基因表达和DNA甲基化的变化。

研究结果表明，神经元的基因表达和DNA甲基化发生了显著的年龄相关变化。衰老大脑的抑制性神经元的数量减少，数百种突触相关基因表达降低。相反的是，亚端粒区域的基因表达随年龄增长而增加，并与端粒长度减少有关。

研究发表在《神经元》杂志上。

研究样本来自NIH神经生物库，共包括11位有或没有神经或精神疾病的年轻人（23-30岁）和老年人（70-74岁）的55000余细胞，使用单核多组学DNA甲基组和转录组测序（snmCT-seq）对供体样本的背外侧前额叶皮质（后文简称额叶皮质）进行了分析。

研究人员首先绘制了跨年龄和性别的人类额叶皮质神经元多组学图谱，对细胞、主要是神经元类型进行了注释，以评估不同供体间的异质性。除了确定11种谷氨酸能兴奋性神经元和10种γ-氨基丁酸（GABA）能抑制性神经元之外，还分析了少量的神经胶质细胞，包括星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞。

转录组-表观基因组多样性的单核多组学分析

分析结果显示，细胞类型标记基因的表达与低水平的DNA甲基化相关，特定基因表达水平越高，这些基因在基因组中的DNA甲基化水平越低。来自同一供体的不同组织样本之间，RNA表达和DNA甲基化特征高度一致，但是在不同供体之间，尤其是不同年龄和性别的供体之间的相关性较低，表明年龄和性别对基因表达和DNA甲基化产生影响。

兴奋性和抑制性神经元对于调节大脑兴奋性和抑制性至关重要，虽然成年人皮质不会产生新的神经元，但是研究人员发现，兴奋性神经元和抑制性神经元的比例会随着年龄的增长发生变化。

与年轻样本相比，衰老样本中抑制性神经元的比例降低约30%，这是特定类型的抑制性神经元[比如表达生长抑素（STT）和血管活性肠肽（VIP）的神经元]数量大幅度降低导致的。阿尔茨海默病患者中也观察到抑制性神经元减少。

衰老对神经元细胞类型的影响

不仅如此，随着年龄的增长，与突触信号传导和细胞粘附相关的基因表达下调（NLGN1、PHACTR1、KCNH7等），并且DNA甲基化水平增加，可能导致突触可塑性降低，还与记忆和学习能力受损有关。

但同时，研究人员也发现了衰老样本中可能与神经保护有关的基因表达上调。此外，亚端粒区域（距离染色体末端≤5Mb）表现出上调基因富集，比如FKBP5和OPRM1，分别与糖皮质激素受体复合物和mμ阿片受体信号传导有关。与这些年龄相关基因表达上调相对应的是，衰老神经元端粒长度显著缩短。

衰老大脑中的转录组和DNA甲基化变化

在不同性别供体之间，总体细胞类型比例和DNA甲基化差异并不显著。在转录组方面，检测到了249个常染色体和13个X连锁性别差异表达基因，PDIA2在男性神经元中的表达是女性的3.5-4.5倍。

总的来说，研究通过多组学单细胞测序揭示了不同细胞类型的基因调控情况，评估个体间多样性，为年龄和性别对人类神经元的影响提供了新的见解。

参考文献： 

Chien JF, Liu H, Wang BA, et al. Cell-type-specific effects of age and sex on human cortical neurons. Neuron.  2024. doi:10.1016/j.neuron.2024.05.013