Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

人类衰老是一个复杂的多因素过程,受遗传和环境因素的影响。鉴于老龄化被认为是许多慢性疾病的根本原因,如果老龄化率能够被量化,就可以促进识别有功能恶化风险的个体并预测健康结果的预后。为了成功地应用老年保护和年轻化策略,2023年7月28日,中国科学院动物研究所刘光慧及其合作者在Med上在线发表了题为“Determining a multimodal aging clock in a cohort of Chinese women”的文章,该研究开发一个可靠的评估生物年龄的框架。研究人员招募了一组年龄从20岁到60岁的中国女性,对多维生物标志物进行了分析,包括表型组学、转录组学(在整体和单细胞水平上)、蛋白质组学和代谢组学,其老化调查涵盖了不同的健康方面,可以量化多系统生理退化的速度,因此,该研究代表了使用多组学数据测量生物年龄和干预策略的范例。


Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

英文标题:Determining a multimodal aging clock in a cohort of Chinese women(Med,IF=17.00,2023)

中文标题:中国女性队列中的多模态衰老时钟

研究材料:外周血单核细胞(PBMC)、血浆、粪便

组学技术:转录组、非靶向代谢组、血浆蛋白质组、16S rRNA

Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

主要研究结果

1. 转录组学景观突出了T细胞扰动作为免疫衰老的主要特征

为了深入了解衰老相关的分子变化,作者分析了PBMC在整体和单细胞水平上的转录组。作者发现356个基因与年龄呈正相关,1372个基因与年龄负相关(图1A)。年龄相关最负相关的基因是LRRN3,它在初始T细胞中高度表达,其表达减少与T细胞衰老相关;另一个与年龄负相关的基因是CACHD1,它也在初始T细胞中富集(图1A)。此外,衰老基因在生物分子合成相关通路中富集(图1B),表明衰老免疫细胞的合成代谢能力下降。通过qRT-PCR证实了LRRN3、CACHD1、SATB1和NT5E RNA表达水平的年龄依赖性下降(图1C),强调这些基因是评估T细胞功能损耗的敏感标记,这是免疫衰老的典型特征。作者还发现与炎症升高相关的途径,如“白细胞活化调节”和“细胞溶解”等基因在衰老过程中上调(图1B)。

PBMC单细胞RNA-seq(scRNA-seq)数据鉴定了18种不同的细胞类型(图1D)。在整体和单细胞水平对年龄相关基因的综合分析中,作者发现特定细胞类型在促进整个PBMC人群老龄化中的重要性,以及T细胞簇中与衰老相关的显著变化,这反映在初始T细胞的萎缩和细胞毒性T细胞的积累上(图1D-E)。同时,通过对大量RNA-seq数据进行反卷积,在更多的志愿者中观察到初始CD4+/CD8+ T细胞的年龄相关减少和细胞毒性CD4+/CD8+ T细胞的积累(图1F)。基于PBMC组成状态(称为“免疫类型”)的模式,作者将所有志愿者从年轻到年老分为三组(图2G-2I)。

Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

图1 转录组学分析揭示了衰老过程中与年龄相关的基因表达变化和“免疫类型”的调节

(图源:Li et al., Med, 2023)


2、血浆蛋白组显示脂质代谢失调、炎症和组织老化

然后,作者根据实际年龄对血浆蛋白的衰老模式进行了表征,并分别鉴定出119种和148种蛋白随着年龄的增长而积累和减少(图2A)。随着年龄积累的蛋白质集中于血浆脂蛋白,它们与LDL和胆固醇浓度升高有关,也与慢性炎症有关,如补体系统,先天免疫系统的基本组成部分,以及炎症和免疫过程(图2B)。使用基于酶联免疫吸附试验(ELISA)的每个志愿者血清测量,作者验证了壳三酸苷酶(CHIT1)和白细胞免疫球蛋白样受体亚家族A成员2(LILRA2),这两种蛋白质在老年人中积累最多,与慢性炎症密切相关,随着年龄的增长而增加(图2C)。值得注意的是,作者推断三分之一的年龄积累蛋白来自肝脏,而五分之一的衰老减少蛋白由肌肉分泌(图2D)。其它组织,如免疫系统和神经系统组织,以及泛组织来源应该释放的蛋白质也被表征(图2D),这有助于缩小更多组织特异性和系统性老化生物标志物的范围。

Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

图2 血浆蛋白质组学分析表征年龄相关蛋白及其组织起源

(图源:Li et al., Med, 2023)


3、血浆代谢组揭示了衰老过程中激素和脂质代谢的异常

鉴于代谢相关的变化在表型、转录组和蛋白质组水平上都有观察到,作者对不同年龄志愿者的代谢状况进行了研究。分别鉴定出99种和46种代谢物与年龄呈正相关和负相关(图3A-C)。值得注意的是,几乎一半的这些与年龄相关的代谢物是脂质和类脂分子,包括属于甘油磷脂、脂肪酰基、类固醇和类固醇衍生物的分子。此外,途径富集分析显示,组氨酸代谢上调,1-甲基组氨酸(1-MH)和3-MH(图3D)的积累,分别是肌肉退化和虚弱的生物标志物,这与老年人肌肉量减少一致。作者用三种衰老代谢物处理人主动脉内皮细胞(HAECs)(图3E)。戊酸和肉豆蔻酸均为短链脂肪酸,胡椒碱可延缓HAECs的细胞衰老,衰老相关(SA)-b-半乳糖苷酶(b-Gal)水平降低并改善运移能力和毛细管状结构的形成(图3E-3H)。因此,衰老血浆中代谢物的减少可能为新的衰老干预策略的发展提供信息。

Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

图3 年龄相关血浆代谢组学分析确定代谢物减缓人内皮细胞衰老

(图源:Li et al., Med, 2023)


4. 随着年龄的增长,多层特征呈现出不同的变化波

为了揭示衰老对生物体的影响是否在整个生命周期中都是相同的,作者对衰老相关的多层特征进行了滑动窗口分析(增量日期为5年),该方法确定了沿老化轨迹差异呈现特征的峰值(图4A)。值得注意的是,波浪模式在不同的数据模式下变化,分别在30岁和50岁左右形成两个波峰,这两个波峰也是根据生育史和更年期状况将志愿者分为两组的时间点(图4A) 。在30岁时,在转录组学和代谢组学水平上观察到阶段特异性变化(图4B)。与30岁相比,50岁左右的阶段特异性变化更为明显(图4A)。对于表型测量,载脂蛋白A增加,而组织适应度指标经历快速转变,骨密度和肺功能在50岁左右下降(图4B-C),符合它们与激素水平改变的关联。同样,肌肉组织蛋白在50岁左右也急剧减少(图4B)。关于转录组水平,作者观察到参与髓细胞分化的基因(MAF、TSPAN2和GAB3)上调(图4B),这与50岁左右髓细胞比例增加的免疫类型一致(图1G-I)。

Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

图4 年龄相关的非线性多层特征的改变

(图源:Li et al., Med, 2023)


5、激素替代疗法作为一种衰老干预策略的多组学意义

鉴于循环激素水平与女性衰老高度相关,而激素年龄与各种年龄估计值高度相关,作者研究了一种广泛使用的替代循环激素下降或缺乏的医学治疗方法(HRT)是否可以减轻与衰老相关的变化。为了回答这个问题,作者招募了另外一组24名接受HRT治疗的志愿者,他们的年龄在45-62岁之间,平均持续时间为4年(老年HRT组),并将他们与年龄和地理特征匹配的未接受HRT治疗的志愿者(老年组)进行比较。正如预期的那样,作者观察到HRT与减轻与衰老相关的类固醇代谢物缺乏有关(图5A-B)。例如,在接受HRT治疗的队列中,三种年龄降低的类固醇衍生物升高,包括硫酸雌酮和硫酸孕烯醇酮(图5B)。与对照组相比,OldHRT组的一些与年龄相关的测量结果减慢了(图5C)。在分子水平上,HRT-Old组中由蛋白质年龄时钟显示的肝脏和神经系统衰老的速度被延迟(图5D)。此外,在免疫系统水平上,在HRT组中,初始CD8+ T细胞(随着年龄的增长而下降)和nMCs(随着年龄的增长而增加)的水平似乎受衰老的影响较小(图5E)。与此一致的是,通过qRT-PCR评估,在HRT志愿者中,年龄下降的STAB1、RCAN3和CACHD1以及与年龄负相关程度最高的基因LRNN3的表达部分恢复(图5F)。使用免疫系统复合免疫年龄和蛋白质年龄的HRT-Old志愿者的衰老速度也被推迟,并且与此一致,炎症蛋白(CD163和LILRB1)的丰度相对于Old组降低(图5A、5D和5G)。这些数据表明HRT与T细胞库的更强大的维持和衰老相关的免疫衰老的缓解相关 (图5H)。总之,本文研究结果表明,激素替代疗法在一定程度上在表型和分子水平上减缓了女性的衰老。

Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

图5 HRT在多组学水平上对女性衰老的影响

(图源:Li et al., Med, 2023)


Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟

小结

综上所述,作者通过不同年龄的113名健康女性的队列,根据多模态测量确定了一系列已知和以前未知的与年龄相关的标记,包括转录本、蛋白质、代谢物、微生物和临床实验室值,在此基础上开发了一个综合衰老时钟,用于监测衰老过程,并为衰老再生策略的临床开发提供信息。




拜谱小结


在这项研究中,作者对20-66岁的健康个体进行了详细的多组学分析,包括转录组、蛋白组、代谢组以及微生物组,从而能够在分子、细胞和器官水平上系统地识别不同类型的衰老生物标志物。根据综合数据集,生成了老化时钟的分层组合。拜谱生物作为国内多组学领域的领军企业,拥有着15年以上多组学研究和项目经验,可提供成熟完善的基因组学、蛋白组学、代谢组学等多组学技术服务,欢迎咨询!




参考文献:Li J, Xiong M, Fu XH, et al. Determining a multimodal aging clock in a cohort of Chinese women. Med. 2023: S2666-6340(23)00197-6. doi: 10.1016/j.medj.2023.06.010.




往期 · 推荐

Microbiome(IF=15.5)罗伊氏乳杆菌通过介导色氨酸代谢增强自身免疫

Mol Cell Proteomics(IF=7.4)| 全面糖谱分析口腔癌与N-糖基化的联系

Cell (IF=64.5)|泛癌翻译后修饰分析揭示出蛋白质调节的共同模式


全国免费统一热线:400-820-8531




Med(IF=17)|多组学解析中国女性队列中的多模态衰老时钟



相关推荐: