利用高精度單細胞轉錄組測序技術首次繪製食蟹猴卵巢單細胞衰老圖譜

2020-11-25 騰訊網

卵巢是機體衰老過程中較早出現退行性變化的器官之一，其衰老表現包括卵母細胞數量減少、質量下降，以及相應的女性生殖力降低。此外，卵巢衰老伴隨的性激素分泌紊亂還可能導致衰老相關疾病如心血管疾病的發生。但迄今為止，科學界對人類卵巢衰老機制仍然知之甚少，這無疑制約了女性卵巢衰老及相關疾病幹預手段的發展。

1月30日，北京大學湯富酬研究組與中國科學院動物研究所劉光慧研究組、曲靜研究組、美國索爾克（Salk）研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte研究組等研究團隊合作，在Cell雜誌在線發表題為「Single-Cell Transcriptomic Atlas of Primate Ovarian Aging」的文章（封面文章）。該研究利用高精度單細胞轉錄組測序技術首次繪製了食蟹猴卵巢的單細胞衰老圖譜，同時利用人類卵巢細胞研究體系，發現增齡伴隨的抗氧化能力的下降是靈長類卵巢衰老的主要特徵之一。

卵巢結構複雜，細胞組成具有高度異質性，其中包含處於多個不同發育階段的卵泡，還有其它為卵泡發育提供必要營養和支撐的多種細胞類型。。「這就好比一個精密的機械鐘錶，裡面需有多種不同大小和用途的齒輪相互連接和相互協同，以確保其正常工作。」該研究的第一作者之一、中科院動物所副研究員王思說。而利用傳統研究技術難以精確揭示衰老過程中不同類型的細胞的衰老規律及分子調控機制。此外，由於倫理及樣本來源的限制，難以獲得跨越年輕年老的人類正常卵巢組織。

圖：衰老卵巢染色

在該項研究中，研究人員分別獲取了年輕和年老食蟹猴的卵巢組織，通過組織病理學分析發現年老食蟹猴卵巢組織呈現出閉鎖卵泡增加、健康卵泡減少，並且纖維化程度增加等衰老特徵，提示年老靈長類卵巢出現了結構和功能的退行性變化。進而，研究者通過高精度單細胞轉錄組測序技術，系統地揭示了包括卵母細胞、顆粒細胞、基質細胞、平滑肌細胞、內皮細胞、自然殺傷T細胞和巨噬細胞等在內的靈長類卵巢主要細胞類型的基因表達特徵，鑑定並驗證了多個卵母細胞特異的新型標誌基因。由於卵泡發生是一個多階段的複雜發育過程，研究人員基於階段特異的分子表達水平和轉錄因子調控網絡，在單細胞解析度解析了處於不同發育成熟階段的4個卵母細胞亞群，並揭示了重要轉錄因子在這些亞群中的協同調控機制。

通過進一步的探索，該項研究發現衰老導致卵巢中細胞類型特異性的氧化還原調控網絡失衡。在衰老過程中，早期卵母細胞的線粒體功能及氧化還原酶相關基因如GPX1、GSR等的表達顯著下調，提示相比於中晚期的卵母細胞而言，早期卵母細胞對衰老相關的氧化應激更為敏感。此外，顆粒細胞作為卵母細胞的「保育員」，在卵泡發育和成熟過程中扮演著重要的角色。該項研究發現在衰老過程中顆粒細胞的氧化損傷增加，伴隨著促凋亡基因表達上調、氧化還原酶相關基因表達下調。在此基礎上，鑑定出IDH1和PRDX4等氧化還原調控基因是顆粒細胞衰老的新型分子標誌物。

圖：靈長類卵巢衰老高解析度分子圖譜研究

那麼，人類卵巢在衰老過程中，是否也有與食蟹猴相似的細胞分子事件呢？

為深入探究人類卵巢衰老是否也發生了與食蟹猴相似的細胞分子事件，研究人員從進行輔助生殖技術治療的健康女性的卵泡液中分離了顆粒細胞。利用這些細胞，驗證了前述增齡相關細胞氧化損傷的增加以及新型衰老標誌物的表達變化等。同時，在人類顆粒細胞中證實了氧化還原基因表達改變與細胞凋亡及線粒體功能紊亂之間的因果聯繫。

圖：封面故事《猴子撈月》

該項研究是國際上首次報導非人靈長類器官衰老的高精度單細胞轉錄組圖譜研究，揭示了細胞類型特異性的氧化還原調控的失穩是包括人類在內的靈長類卵巢衰老的共性分子機制。研究加深了人們對卵巢組織結構增齡性變化的認識，解析了衰老過程中不同卵巢細胞類型的易感性及易感分子，提供了靈長類卵巢衰老的潛在調控靶標信息，為預警卵巢衰老及女性生殖力下降提供了新的生物學標誌物，為發展延緩卵巢衰老及相關疾病的幹預策略奠定了理論基礎。

據悉，該項研究由北京大學、中科院動物所、中科院幹細胞與再生醫學創新研究院、北京大學第三醫院、中科院北京基因組所、首都醫科大學宣武醫院、美國索爾克研究所等機構合作完成。中科院動物所劉光慧研究員、北京大學湯富酬教授、中科院動物所曲靜研究員、美國索爾克研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授為共同通訊作者。中科院動物所王思副研究員、北京大學博士生鄭宇軒、中科院動物所李靜宜副研究員、北京大學第三醫院于洋研究員和中科院北京基因組所張維綺研究員為並列第一作者。中科院動物所周琪院士、北京大學第三醫院喬傑院士、宣武醫院陳彪教授以及中科院動物所宋默識研究員為本文的共同高級作者。該項目獲得國家科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和北京市等項目的資助。

參考資料：

北大生科：Cell | 湯富酬組與合作實驗室共同揭示靈長類卵巢衰老的分子標記物

http://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/14948.html

中國科學報：科學家發現卵巢衰老分子標記物

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/1/435271.shtm

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