Cell(IF66.850)|单细胞水平解密衰老过程中的组蛋白修饰变化

  先前有文献报道个体的衰老与其体内的免疫细胞存在关系,但是人类免疫细胞中染色质修饰的程度和可变性在很大程度上仍然是未知的。那么衰老与这些未知的染色质修饰之间有什么关系呢?斯坦福大学医学院的研究人员对此进行了研究,并在Cell上发表了题为Single-Cell Chromatin Modification Profiling Reveals Increased Epigenetic Variations with Aging”的文章,系统地比较了不同细胞中各种染色质修饰的变化,发现相比于年轻人,老年人的免疫细胞携带更多的组蛋白修饰,并且发现与衰老相关的组蛋白修饰变化主要受非遗传因素影响,揭示了表观遗传在衰老过程中的重要作用。该研究应用质谱技术探究单细胞水平上的组蛋白修饰变化,助力表观遗传研究。

Cell(IF66.850)|单细胞水平解密衰老过程中的组蛋白修饰变化


Single-Cell Chromatin Modification Profiling Reveals Increased Epigenetic Variations with AgingCellIF=66.8502018
单细胞染色质修饰分析揭示随年龄增长表观遗传变异增加

样本类型:免疫细胞
关键词:单细胞;衰老;组蛋白修饰;表观遗传学;质谱检测

Cell(IF66.850)|单细胞水平解密衰老过程中的组蛋白修饰变化


Cell(IF66.850)|单细胞水平解密衰老过程中的组蛋白修饰变化


 

Cell(IF66.850)|单细胞水平解密衰老过程中的组蛋白修饰变化

PART 01

健康人免疫细胞中的表观遗传学特征‍

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作者首先对免疫细胞亚群中的各种染色质修饰情况进行了研究。整体变化如图1 C所示。修饰具有亚群特异性,比如,CD4+CD8+T细胞表现出相似的修饰类型,而NK细胞修饰水平比其他细胞亚型更少。逆辛普森多样性指数(ISDI)分析显示,组蛋白修饰在受试者之间存在适度的变异,其中H3K14acCleaved H3 THR22H2A.Z显示出最大的变异性,而macroH2APADI4H2BK120ub显示出最小的变异性。免疫印迹分析显示出同样的结果(图1 D)。此外作者还发现H3K27me3的赖氨酸甲基化转移酶EZH1EZH2在淋巴前体细胞(GLP)和T细胞中的表达量远高于骨髓前体细胞(GCP)和单核细胞(图1 E)。聚类算法显示,与淋巴来源的免疫细胞相比,骨髓来源的免疫细胞具有H3.3H3K27me3修饰水平降低,cleaved H3 Thr22H3K36me1水平升高,PADI4表达等特征(图1 F)。


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PART 02

组蛋白修饰可区分免疫细胞类型‍

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 PCA结果显示,基于组蛋白修饰类型及水平同样可以将各种免疫细胞亚群区分开来,其中,单核细胞和各种淋巴细胞亚群之间的分离程度最大,反映出淋巴细胞谱系和骨髓细胞谱系之间的不同(图2 A)。L-1正则化逻辑回归模型可以区分单核细胞、B细胞、T细胞、NK细胞以及其他PBMCs(图2 B)。用其他数据对模型进行验证,也可准确地识别相应免疫细胞类型(图2C)。这些结果表明,表观遗传修饰可以准确区分免疫细胞类型。

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PART 03

T细胞亚群中的组蛋白修饰差异‍

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基于组蛋白修饰结果的聚类分析显示,与γδ T细胞相比,αβ T细胞具有明显的特异性,而γδ T细胞在免疫反应中具有特殊功能(图3 A)。CD4+CD8+naïve T细胞等聚集在一起,表明T细胞亚群中染色质修饰具有可塑性。naïve细胞向记忆细胞的分化与组蛋白修饰谱的显著变化相关(图3 B)。与所有CD4+T细胞相比,在Treg中,H3K27me1H3K27ac修饰显著上升,H3K27me3修饰水平显著下降(图3 C),表明研究TregsH3K27低甲基化状态和H3K27ac的生物学意义与重要性。

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PART 04

衰老过程中组蛋白修饰差异增大‍

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研究者通过分析不同年龄的受试者组蛋白修饰情况,创建了20种免疫细胞类型(800个数据点)的40个染色质修饰图谱(图4 A)。PCA分析表明能够按年龄区分受试者,而性别的差异可以忽略不计(图4 B)。值得注意的是,年轻受试者的组蛋白修饰图谱相对均一;相反,年长受试者的多样性明显增加。随着衰老,大多数免疫细胞中的多数修饰水平均有增加(图4 C)。


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多项T检验结果显示,在30个显著的组蛋白修饰-细胞类型对中,老年受试者中有29个显示出更高的细胞间变异性(图5 A),涉及H3K27me3H3K27me2H2 AK119ub(图5 B)。研究者接下来测试了染色质状态随年龄增长而增加的不稳定性是否与转录噪声有关。结果显示,在几种免疫细胞亚型中,H3K4me3的单细胞变异性不随年龄显著变化。进一步研究发现,与H3K4me3标记的基因相比,富集H3K27me3的基因随着年龄的增长显示出显著更高的转录变异性(图5 C)。这些结果提示随着衰老而提高的表观遗传噪音,尤其是PRC介导的H3K27me3,导致了单细胞之间染色质状态的差异。

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PART 05

衰老过程中组蛋白修饰的变化主要是由非遗传因素驱动的‍

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为了研究衰老过程中的修饰差异性是否由遗传因素决定,作者探究了不同年龄的同卵(MZ)双胞胎和异卵(DZ)双胞胎组蛋白修饰和年龄间的差异(图6 A)。ACE模型分析结果表明,非遗传因素解释了免疫细胞染色质修饰的70%的差异(其中包括13.5%的共享环境因素和56.5%的特有环境因素),而遗传因素解释了30%的差异(图6 B)。PCA结果显示年长双胞胎之间的多样性增加(图6 C),年长的双胞胎和与随机的年长受试者在组蛋白修饰谱中均表现出较高的多样性(图6 D),这表明组蛋白修饰随年龄增长而增加的变化在很大程度上是由非遗传因素驱动的。在年轻组中,相较于MZ双胞胎和随机配对的受试者,DZ双胞胎在染色质修饰上表现出更高的一致性;年长组中三种受试者之间没有区别(图6 E)。进一步研究发现,MZ双胞胎的40个染色质标记中有32个表现出一致性;在遗传学和表观基因组完全控制的情况下,年轻组之间的一致性高于年长组(图6 F),这强调了非遗传因素对个体间染色质修饰变异的显著影响。

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       综上所述,该研究通过对人的免疫细胞进行分析,描述了不同免疫细胞亚群中组蛋白修饰种类和水平概况。证明了组蛋白修饰水平可区分免疫细胞特定亚群,同时发现随着年龄的增长,个体和细胞之间的组蛋白修饰多样性增加,而与衰老相关的组蛋白修饰变化主要受到非遗传因素的影响,揭示了表观遗传在衰老这一生理过程中的重要作用。


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     该研究选用不同抗体标记对组蛋白不同修饰类型进行质谱检测,结果受制于抗体的特异性和灵敏度。此外,由于不同蛋白质存在形式(proteoforms)的抗体设计较困难,且只能基于已知的专一的修饰位点进行抗体开发,因此该方法难以识别全局组蛋白修饰。拜谱生物作为国内唯一一家提供全局组蛋白修饰定量分析的公司,可以对全局组蛋白的多重修饰同时进行定性定量分析,同时给予您全面的流程服务与多元化的结果呈现,助力各位学者开展多个领域的研究,欢迎各位老师前来咨询!

参考文献:Cheung P, Vallania F, Warsinske HC, et al. Single-Cell Chromatin Modification Profiling Reveals Increased Epigenetic Variations with Aging. Cell. 2018;173(6):1385-1397.e14. doi:10.1016/j.cell.2018.03.079.


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