关于人类卵巢老化时空转录组变化及FOXP1调控作用的研究报告

学术背景

随着全球人均寿命的不断增加，女性在更年期面临的健康问题愈发受到关注。卵巢老化是其中一项重要问题，与骨质疏松、心血管疾病、肥胖、肿瘤、阿尔茨海默病及糖尿病等多种健康问题密切相关。为了探索延缓卵巢老化的治疗策略，需要全面了解卵巢的细胞组成、分子特性及其时空变化。然而，目前对于人类卵巢老化如何影响细胞和分子层面的理解仍然有限。本研究通过整合单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，简称 scRNA-seq）和空间转录组学（spatial transcriptomics，简称ST-seq），系统地表征了人类卵巢老化过程中八种细胞类型的时空分子特征。

论文来源

该研究发表在2024年4月9日的《Nature Aging》期刊上，文章标题为“Spatiotemporal transcriptomic changes of human ovarian aging and the regulatory role of FOXP1”。研究由来自华中科技大学同济医学院附属同济医院妇产科和国家妇科疾病临床研究中心、教育部癌症侵袭与转移重点实验室的Meng Wu、Weicheng Tang等多个单位的科研人员共同完成。

研究设计

• 参与者和样本来源：研究对象包括15名自愿接受子宫切除术和输卵管切除术的女性病例。这些卵巢样本根据年龄分为三组：年轻组（18-28岁）、中年组（36-39岁）和老年组（47-49岁）。
• 对照与分组：每组各5例卵巢组织，分别进行scRNA-seq和ST-seq。
• 实验流程：卵巢样本经过解离、单细胞悬液处理，并使用10x Genomics平台进行scRNA-seq；ST-seq数据生成后整合单细胞数据，用于推断每个ST点的可能单细胞组成。
• 数据分析：使用散点因子分析推测单个ST点的细胞类型组成，通过UMAP算法和特异性细胞标记物识别出八种细胞类型，进行基因本体（gene ontology，GO）分析和差异基因表达（differentially expressed genes，简称 DEG）分析。

研究结果

1. 单细胞RNA测序和空间位置定位

研究识别出了卵母细胞、颗粒细胞（granulosa cells，简称 GCs）、平滑肌细胞（smooth muscle cells，简称 SMCs）、内皮细胞、单核细胞、自然杀伤细胞（NK细胞）和T淋巴细胞等八种细胞类型。 GO分析显示颗粒细胞高度表达的基因富集于调节激素水平，卵母细胞的基因与卵母细胞分化相关。 使用ST-seq数据，研究成功绘制出各细胞类型的空间分布，揭示了不同岁数卵巢细胞的时空变化特征。

2. 卵巢细胞老化相关的转录组变化

研究显示，在卵巢老化过程中，不同卵巢细胞类型的基因表达模式存在显著差异。尤其是上调DEGs主要与”细胞衰老”及其相关信号通路（如FOXO、IL-17、NF-κB等）相关。下调DEGs则主要涉及细胞迁移、胞外基质受体相互作用、雌激素信号通路等。 随着年龄的增长，大多数卵巢细胞的衰老信号通路得分显著增加，进一步验证了细胞衰老在卵巢老化中的重要作用。

3. 颗粒细胞和卵母细胞的特征及变化

颗粒细胞分为三种亚型，在老年组中主要为GC亚型3，其表达的标志物涉及凋亡和细胞周期。ScRNA-seq和ST-seq数据证实了颗粒细胞的亚型和空间分布。 在老化过程中，卵母细胞出现明显的DNA损伤和修复能力减弱现象，DNA损伤反应基因显著上调，而DNA修复基因表达减少。

4. T&S细胞的变化

研究识别了五种T&S细胞亚型，T&S细胞在老年组中以细胞应激反应为主，且所有T&S亚型的细胞衰老记分显著增加。 进一步分析表明，cdkn1a在老化样本中广泛分布，与细胞衰老相关的SASP因子水平显著增加。

5. FOXP1的调控作用

研究发现FOXP1在卵巢中随着年龄的增长显著减少，其下调与颗粒细胞及T&S细胞的细胞衰老相关。通过FOXP1敲低实验，确认FOXP1通过抑制cdkn1a转录来防止卵巢细胞衰老。 敲除小鼠FOXP1基因后，卵巢体积减小，健康卵泡数量减少，血清AMH和雌二醇水平降低，表现出加速卵巢老化的特征。

6. 槲皮素对卵巢老化的保护作用

研究发现，槲皮素能够显著减少cdkn1a和其他衰老标志物的表达，促进细胞增殖并减少DNA损伤。通过药物处理，槲皮素能够延缓中年小鼠的卵巢老化，增加健康卵泡数量和繁殖能力。槲皮素在应对卵巢老化方面显示出潜在的治疗价值。

总结

本研究通过首次整合单细胞和空间转录组学，系统阐释了人类卵巢老化过程中的时空转录组变化，识别了FOXP1作为卵巢细胞衰老的关键调控因子，并展示了槲皮素在延缓卵巢老化中的潜在应用价值。这些发现为进一步研究卵巢老化机制及开发新的诊断和治疗策略提供了宝贵的资源和视角。