空間トランスクリプトミッククロックが脳の老化における細胞近接効果を明らかにする

2024-12-29 Sun
空間トランスクリプトミッククロックが脳の老化における細胞近接効果を明らかにする学術的背景加齢に伴い、認知機能の低下と神経変性疾患のリスクが顕著に増加します。脳の老化は複雑なプロセスであり、多くの細胞レベルの変化を伴います。しかし、老化した細胞がどのように近隣の細胞に影響を与え、その影響が組織の機能低下にどのように寄与するかはまだ明らかではありません。さらに、老化組織におけるこの問題を体系的に解決するためのツールはまだ開発されていません。この研究では、研究者たちは空間分解能を持つ単一細胞トランスクリプトームアトラスを開発し、機械学習モデルを組み合わせることで、老化、再生、および疾患における空間的および細胞タイプ特異的なトランスクリプトームの特徴を明らかにしました。
論文の出典この論文は、Eric D. Sun、Olivia Y. Zhou、Max Hauptschein、Nimrod Rappoport、Lucy Xu、Paloma Navarro Negredo、Ling Liu、Thomas A. Rando、James Zou、およびAnne Brunetによって共同執筆され、スタンフォード大学、カリフォルニア大学ロサンゼルス校などの機関に所属しています。論文は2024年に『Nature』誌に掲載されました。
研究の流れ1. 空間トランスクリプトームアトラスの構築研究者たちは、多重化エラーロバスト蛍光in situハイブリダイゼーション（MERFISH）技術を使用して、マウス脳の冠状および矢状切片の単一細胞分解能でのトランスクリプトーム解析を行いました。彼らは、細胞タイプマーカー遺伝子、老化関連経路遺伝子、およびその他の機能遺伝子を含む300の遺伝子を選択しました。研究は20の異なる年齢のマウスをカバーし、420万の細胞の空間トランスクリプトームデータを生成しました。
2. 空間老化クロックの構築個々の細胞の生物学的年齢を定量化するために、研究者たちは機械学習に基づく空間老化クロックモデルを開発しました。このモデルは、空間平滑化処理（SpatialSmooth）方法を使用して、空間情報を保持しつつ単一細胞老化クロックの性能を最大化します。モデルは14の細胞タイプで優れた性能を示し、細胞の年齢を正確に予測することができました。
3. 細胞近接効果の分析研究者たちは、空間老化クロックを使用して、特定の細胞タイプが近隣の細胞の年齢に及ぼす影響を定量化しました。彼らは、T細胞が顕著な老化促進効果を持ち、神経幹細胞（NSCs）が顕著な再生促進効果を持つことを発見しました。深層グラフニューラルネットワーク（GNN）モデルを使用して、研究者たちはこれらの細胞近接効果の存在をさらに検証しました。
4. 潜在的な媒介メカニズムの研究研究者たちは、遺伝子発現解析を通じて、T細胞がインターフェロンシグナル経路を介してその老化促進効果を媒介し、NSCsがエクソソームや成長因子の分泌を介してその再生促進効果を媒介することを発見しました。これらの発見は、細胞近接効果の分子メカニズムを理解するための新しい洞察を提供します。
主な結果空間トランスクリプトームアトラス：研究者たちは、マウスの生涯にわたる脳の空間トランスクリプトームアトラスを構築し、異なる細胞タイプと脳領域における老化プロセスの顕著な変化を明らかにしました。
空間老化クロック：開発された空間老化クロックモデルは、細胞の年齢を正確に予測し、複数の外部データセットで良好な汎化性能を示しました。
細胞近接効果：T細胞は近隣の細胞に顕著な老化促進効果を持ち、NSCsは顕著な再生促進効果を持つことが確認されました。これらの効果は、異なる脳領域と細胞タイプで検証されました。
潜在的な媒介メカニズム：T細胞はインターフェロンシグナル経路を介してその老化促進効果を媒介し、NSCsはエクソソームや成長因子の分泌を介してその再生促進効果を媒介することが明らかになりました。
結論この研究は、高解像度の空間トランスクリプトームアトラスと空間老化クロックを構築することで、脳の老化プロセスにおける細胞タイプと脳領域の特異的な変化を明らかにしました。研究はまた、T細胞とNSCsが近隣の細胞に及ぼす顕著な影響を発見し、これらの効果の潜在的な分子メカニズムを探求しました。これらの発見は、老化と疾患に対する介入策の開発に新しい視点を提供します。
研究のハイライト高解像度空間トランスクリプトームアトラス：研究は、マウスの生涯にわたる脳の空間トランスクリプトームアトラスを初めて構築し、前例のない空間的および単一細胞分解能を提供しました。
空間老化クロック：開発された空間老化クロックモデルは、細胞の年齢を正確に予測し、複数の外部データセットで良好な汎化性能を示しました。
細胞近接効果：研究は、T細胞とNSCsが近隣の細胞に顕著な老化促進および再生促進効果を持つことを発見し、細胞間相互作用を理解するための新しい視点を提供しました。
潜在的な媒介メカニズム：研究は、T細胞とNSCsが異なる分子経路を介してその近接効果を媒介することを明らかにし、老化と疾患に対する介入策の開発に新しいターゲットを提供しました。
研究の意義この研究は、脳の老化の高解像度空間トランスクリプトームアトラスを提供するだけでなく、空間老化クロックモデルを開発し、細胞間相互作用と老化メカニズムを研究するための強力なツールを提供しました。研究が発見したT細胞とNSCsの近接効果およびその潜在的な媒介メカニズムは、老化と疾患に対する介入策の開発に新しい視点を提供します。さらに、研究で開発された機械学習フレームワークは、他の組織や種に適用することができ、老化と疾患研究のさらなる発展を促進します。