随着生物体的衰老，免疫系统的功能逐渐下降，表现为先天免疫细胞（如粒细胞）的增加和适应性免疫细胞（如B细胞）的减少。这种免疫系统的失衡与多种疾病的发生密切相关，尤其是老年人中常见的骨髓性白血病和免疫缺陷。尽管所有生物体都会经历衰老，但个体之间的衰老速度存在显著差异。这种差异的机制尚不明确，尤其是与免疫细胞再生相关的干细胞（如造血干细胞，HSC）在衰老过程中的作用。理解这种个体间衰老差异的机制，有助于揭示衰老相关的生理衰退的触发因素，并为延缓衰老提供新的治疗策略。

造血干细胞（HSC）在维持组织稳态和再生受损细胞方面起着关键作用。随着年龄的增长，HSC的功能发生多种变化，包括自我更新能力的增强、髓系分化（myelopoiesis）的增加以及淋巴系分化（lymphopoiesis）的减少。这些功能变化与分子水平的改变密切相关，如DNA损伤、表观遗传重塑、翻译缺陷和细胞外信号的变化。尽管已有多种HSC衰老模型被提出，但个体间衰老差异的机制仍然不清楚。本研究旨在通过高通量单细胞技术，比较相同年龄但表现出早期或延迟免疫衰老表型的小鼠，揭示HSC在衰老过程中的异质性变化及其对免疫衰老表型的影响。

论文来源

本论文由Anna Nogalska、Jiya Eerdeng、Samir Akre、Mary Vergel-Rodriguez、Yeachan Lee、Charles Bramlett、Adnan Y. Chowdhury、Bowen Wang、Colin G. Cess、Stacey D. Finley和Rong Lu共同完成。这些作者来自美国南加州大学（University of Southern California）的干细胞生物学与再生医学系、生物医学工程系以及定量与计算生物学系。论文于2024年10月24日在线发表在《Cellular & Molecular Immunology》期刊上，DOI为10.1038/s41423-024-01225-y。

研究流程与结果

研究流程

1. 小鼠模型与免疫衰老表型的分类
   研究使用了C57BL/6J小鼠，通过计算外周血中B细胞与粒细胞的比例（BG ratio）来评估免疫衰老表型。研究发现，30个月大的小鼠中，部分小鼠表现出早期衰老表型（BG ratio降低），而另一些小鼠则表现出延迟衰老表型（BG ratio与年轻小鼠相似）。基于此，研究将小鼠分为早期衰老组和延迟衰老组。

2. 单细胞转录组分析
   通过对30个月大小鼠的HSC进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），研究比较了早期衰老组和延迟衰老组HSC的基因表达差异。研究发现，早期衰老组的HSC中，与衰老、髓系分化和干细胞增殖相关的基因显著上调，而延迟衰老组的HSC则表现出与干细胞调控和外部信号响应相关的基因上调。

3. 克隆追踪实验
   研究通过遗传条形码技术（genetic barcoding）追踪了年轻小鼠HSC克隆在老年小鼠中的免疫细胞生成情况。研究发现，30%至40%的HSC克隆在衰老过程中发生了谱系偏倚（lineage bias）的变化。早期衰老组的HSC克隆倾向于向髓系分化，而延迟衰老组的HSC克隆则倾向于向淋巴系分化。

4. CRISPR基因敲除实验
   为了验证差异表达基因的功能，研究使用CRISPR技术敲除了早期衰老组和延迟衰老组HSC中显著上调的基因，并观察其对BG ratio的影响。结果显示，敲除早期衰老组上调的基因（如LGALS9、NME1和SLC25A5）会导致BG ratio增加，而敲除延迟衰老组上调的基因（如NEDD4和PREX2）则会导致BG ratio降低。

5. 克隆扩增与耗竭分析
   研究进一步分析了HSC克隆的扩增和耗竭情况。结果显示，早期衰老组小鼠的髓系克隆扩增更为显著，而延迟衰老组小鼠的淋巴系克隆扩增更为显著。此外，早期衰老组小鼠中，部分HSC克隆表现出耗竭现象，而延迟衰老组小鼠中则未观察到显著的克隆耗竭。

主要结果

1. 免疫衰老表型的个体差异
   研究发现，相同年龄的小鼠在免疫衰老表型上存在显著差异。早期衰老组小鼠表现出BG ratio的显著下降，而延迟衰老组小鼠则保持了与年轻小鼠相似的BG ratio。

2. HSC基因表达的异质性
   单细胞转录组分析显示，早期衰老组和延迟衰老组的HSC在基因表达上存在显著差异。早期衰老组的HSC中，与髓系分化和干细胞增殖相关的基因显著上调，而延迟衰老组的HSC则表现出与干细胞调控和外部信号响应相关的基因上调。

3. HSC克隆的谱系偏倚变化
   克隆追踪实验表明，30%至40%的HSC克隆在衰老过程中发生了谱系偏倚的变化。早期衰老组的HSC克隆倾向于向髓系分化，而延迟衰老组的HSC克隆则倾向于向淋巴系分化。

4. 基因敲除对BG ratio的影响
   CRISPR基因敲除实验显示，敲除早期衰老组上调的基因会导致BG ratio增加，而敲除延迟衰老组上调的基因则会导致BG ratio降低。这表明这些基因在调控免疫衰老表型中起着关键作用。

5. 克隆扩增与耗竭的差异
   早期衰老组小鼠的髓系克隆扩增更为显著，而延迟衰老组小鼠的淋巴系克隆扩增更为显著。此外，早期衰老组小鼠中部分HSC克隆表现出耗竭现象，而延迟衰老组小鼠中则未观察到显著的克隆耗竭。

结论与意义

本研究发现，个体间免疫衰老的差异主要源于HSC中髓系分化的变化。早期衰老组小鼠的HSC倾向于向髓系分化，而延迟衰老组小鼠的HSC则倾向于向淋巴系分化。这些变化与HSC克隆的基因表达和功能变化密切相关。研究还揭示了多个与免疫衰老相关的关键基因，并提出了通过调控髓系分化来延缓免疫衰老的潜在治疗策略。

科学价值与应用价值

1. 科学价值
   本研究通过高精度的单细胞技术和克隆追踪技术，揭示了HSC在衰老过程中的异质性变化及其对免疫衰老表型的影响。这为理解个体间衰老差异的机制提供了新的视角，并为衰老相关疾病的治疗提供了潜在的分子靶点。

2. 应用价值
   研究结果表明，通过调控HSC的髓系分化，可能延缓免疫衰老的进程。这为开发新的抗衰老疗法提供了理论依据，尤其是针对HSC的干预策略可能成为未来抗衰老治疗的重要方向。

研究亮点

1. 个体间衰老差异的机制
   本研究首次通过单细胞技术揭示了HSC在衰老过程中的异质性变化，解释了为什么相同年龄的个体在免疫衰老表型上存在显著差异。

2. HSC克隆的谱系偏倚变化
   研究发现，HSC克隆在衰老过程中会发生谱系偏倚的变化，且这种变化与免疫衰老表型密切相关。这为理解HSC在衰老中的作用提供了新的视角。

3. 关键基因的发现
   研究通过CRISPR基因敲除实验，验证了多个与免疫衰老相关的关键基因，为未来的抗衰老治疗提供了潜在的分子靶点。

4. 克隆扩增与耗竭的分析
   研究系统分析了HSC克隆的扩增和耗竭情况，揭示了这些过程在免疫衰老中的重要作用。

总结

本研究通过高精度的单细胞技术和克隆追踪技术，揭示了HSC在衰老过程中的异质性变化及其对免疫衰老表型的影响。研究结果表明，个体间免疫衰老的差异主要源于HSC中髓系分化的变化，并提出了通过调控髓系分化来延缓免疫衰老的潜在治疗策略。这些发现为理解衰老机制和开发抗衰老疗法提供了重要的科学依据。