科技日報記者 張佳星

延緩衰老，卡路里限制（即節(jié)食）在多個物種中被證明有效，具體分子機(jī)制卻并不明確。

2月27日，《Cell》雜志在線發(fā)表題為“Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape of RattusNorvegicus Aging”（《能量限制重塑大鼠衰老的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜》）的研究論文。中國科學(xué)院動物研究所劉光慧研究組、曲靜研究組、中國科學(xué)院基因組研究所張維綺研究組，及美國索爾克生物學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)合作，以嚙齒類動物大鼠（Rattus norvegicus）為研究對象，基于高通量單細(xì)胞和單核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，通過對年輕任意進(jìn)食組、年老任意進(jìn)食組、年老節(jié)食組的20多萬個單細(xì)胞及細(xì)胞核的轉(zhuǎn)錄組分析，繪制了衰老和節(jié)食狀態(tài)下不同組織器官的分子網(wǎng)絡(luò)圖譜。分析該圖譜，研究者發(fā)現(xiàn)超過1/2的衰老細(xì)胞和1/4的衰老基因能被“七分飽”逆轉(zhuǎn)。

逐個細(xì)胞摸底：9大組織20萬細(xì)胞變老是啥樣？

研究團(tuán)隊用大鼠做試驗，將一批實驗大鼠分為3組，分別是：年輕任意進(jìn)食組、年老任意進(jìn)食組、年老節(jié)食組。

衰老和節(jié)食影響大鼠多組織穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)生物學(xué)研究

“年輕組大鼠用于對照，看中年階段的大鼠開始節(jié)食能不能延緩機(jī)體的衰老。”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院動物研究所研究員曲靜對科技日報介紹，研究者從中年期開始對大鼠進(jìn)行“七分飽”（任意進(jìn)食量70%的卡路里攝入量）干預(yù)，持續(xù)節(jié)食9個月。

對于年老節(jié)食組的干預(yù)相當(dāng)于人類從中年（約40-45歲）開始節(jié)食，一直持續(xù)到70歲。

“我們分別對3組大鼠的皮膚、主動脈、棕色脂肪、白色脂肪、肝臟、腎臟、骨髓這7種組織中取到的細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞測序，對腦、骨骼肌這兩種組織的不同細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞核測序?！鼻o介紹，值得注意的是每種組織有不同的細(xì)胞類型。細(xì)胞種類的多樣性決定了組織器官的異質(zhì)性和復(fù)雜性，導(dǎo)致各組織器官在衰老過程中呈現(xiàn)出不同的細(xì)胞及分子特性，但是傳統(tǒng)的研究技術(shù)難以精確地揭示這些細(xì)胞類型特異性的分子變化及調(diào)控規(guī)律。

高通量單細(xì)胞測序技術(shù)能夠?qū)?shù)十萬包括不同種類的單個細(xì)胞進(jìn)行測序，此次繪制的細(xì)胞圖譜中涉及到的細(xì)胞類型有百余種。這是首個針對哺乳動物衰老和節(jié)食的跨越多個器官的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜研究，從不同維度系統(tǒng)地評估了衰老和節(jié)食對機(jī)體不同類型組織細(xì)胞的影響，揭示了節(jié)食通過調(diào)節(jié)多組織的免疫炎癥通路進(jìn)而延緩衰老的新型機(jī)制。

解讀圖譜，“七分飽”這樣逆轉(zhuǎn)衰老

平常生活里，“老了”意味著皺紋變多、頭發(fā)變白、跑不動了……這些都是生命個體的身體體征，判斷細(xì)胞變老則需要細(xì)胞層面的“體征”。

通多對年輕的細(xì)胞和年老的細(xì)胞的對比，研究者從細(xì)胞類型組成、細(xì)胞類型特異性差異表達(dá)基因、核心調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子及細(xì)胞間信號通訊網(wǎng)絡(luò)等方面，尋找到衰老的表現(xiàn)，并全方位解析了衰老和節(jié)食對大鼠不同組織器官的影響。

通過“老少比”，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：

細(xì)胞種類變化，促炎細(xì)胞比例增加，半數(shù)以上可被節(jié)食抑制。研究發(fā)現(xiàn)，在9種被檢測的組織中均發(fā)生了衰老相關(guān)的細(xì)胞類型組成的改變，這些變化中半數(shù)以上能夠被節(jié)食所抑制。其中，與機(jī)體免疫調(diào)節(jié)密切相關(guān)的免疫細(xì)胞（如中性粒細(xì)胞和漿細(xì)胞）在年老大鼠的多種器官和組織中增加。此外，促炎型巨噬細(xì)胞相對抗炎型巨噬細(xì)胞的比例也有所增加。這些結(jié)果表明，多組織免疫炎癥壓力的升高是衰老的標(biāo)志性特征。更為重要的是，節(jié)食可以有效地逆轉(zhuǎn)免疫細(xì)胞比例在衰老過程中的異常變化。

基因表達(dá)變化，炎癥相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，節(jié)食可逆轉(zhuǎn)1/4的基因表達(dá)變化。研究者發(fā)現(xiàn)衰老在不同組織和細(xì)胞類型中均引起基因表達(dá)的變化，其中超過1/4的變化可以被節(jié)食逆轉(zhuǎn)。這些可逆轉(zhuǎn)表達(dá)的基因主要編碼炎癥反應(yīng)和脂質(zhì)代謝相關(guān)的調(diào)控蛋白和轉(zhuǎn)錄因子。

細(xì)胞間通訊變化，老年細(xì)胞通訊過載，節(jié)食可抑制。研究者構(gòu)建了細(xì)胞類型特異的配體及其受體的調(diào)控譜，發(fā)現(xiàn)衰老導(dǎo)致多種組織的細(xì)胞間通訊過載。其中，多種與免疫細(xì)胞活化相關(guān)的細(xì)胞因子及其受體的表達(dá)在衰老過程中異常增強(qiáng)，而節(jié)食可以抑制這些異常變化。這一觀察與細(xì)胞類型組成和基因表達(dá)層面上的分析所得到的結(jié)論相一致。

“衰老”標(biāo)志基因和驅(qū)動基因被發(fā)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)挖掘中，研究團(tuán)隊看到了多種基因的變化，結(jié)合此前的科研積累，他們發(fā)現(xiàn)了兩個有潛在應(yīng)用價值的基因。

“S100a8等炎癥相關(guān)基因在衰老大鼠的40余種細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)，而節(jié)食能夠在30多種細(xì)胞類型中抑制這種變化。此外，S100A8蛋白的血清含量隨衰老顯著上調(diào)，且能夠被節(jié)食逆轉(zhuǎn)，這說明該蛋白可作為衡量機(jī)體衰老程度的潛在分子標(biāo)志物。”論文通訊作者之一、中國科學(xué)院北京基因組研究所研究員張維綺介紹。

此外，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)衰老導(dǎo)致Ybx1基因（編碼一種調(diào)節(jié)mRNA轉(zhuǎn)錄、剪接和翻譯的蛋白）在多種細(xì)胞類型中的表達(dá)下調(diào)，而節(jié)食可以在超過20種細(xì)胞類型中逆轉(zhuǎn)這種變化。張維綺表示，通過人及大鼠的脂肪干細(xì)胞的研究體系進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)敲低Ybx1可以誘發(fā)干細(xì)胞增殖能力降低以及炎癥因子釋放增加等細(xì)胞衰老表型。這些結(jié)果提示Ybx1可能是介導(dǎo)多組織衰老，且受節(jié)食調(diào)控的關(guān)鍵性節(jié)點分子。

該研究通過多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，首次在多器官、多組織層面上系統(tǒng)地解析了機(jī)體衰老的細(xì)胞和分子變化規(guī)律，揭示了慢性炎癥是哺乳動物機(jī)體和器官衰老的共性特征，為衰老預(yù)警提供了新型生物學(xué)標(biāo)志物。

據(jù)介紹，該項研究由中科院動物所、中科院生物物理所、中科院北京基因組所、中科院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、北京協(xié)和醫(yī)院、浙江大學(xué)、美國索爾克生物學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)合作完成。中科院動物所劉光慧研究員、曲靜研究員，中科院北京基因組研究所張維綺研究員以及美國索爾克研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授為共同通訊作者。中科院動物所馬帥助理研究員、中科院生物物理所孫淑慧助理研究員、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院耿令令副研究員以及中科院動物所宋默識研究員為并列第一作者。中科院動物所周琪院士、首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院陳彪教授以及浙江大學(xué)郭國驥教授為共同高級作者。該研究獲得國家科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和北京市等項目資助。