尽管衰老过程仍有许多未解之谜，但随时间的变化始终是其核心。伴随衰老而来的生物变化似乎发生在体内许多细胞中。问题在于，我们拥有数百亿个细胞，而这些细胞中大多数的变化仍不为人知，部分原因是传统技术的局限性。
正因如此，洛克菲勒大学的曹军岳(Junyue Cao)开发了一套高通量单细胞基因组分析工具，能够同时检查大脑中数千万个细胞的分子状态如何受到衰老的影响。
现在，曹军岳的单细胞基因组学与种群动力学实验室已经开发出两种新工具和概念，用于研究衰老过程中的分子变化、基因表达和细胞间动力学。在发表于《自然神经科学》和《细胞基因组学》的论文中，曹及其团队描述了每种新技术以及它们已经产生的生物学见解。
"这些方法本质上采用了两条不同的路径，以理解细胞动力学和伴随衰老而来的变化分子过程的不同元素，"曹说。
分子邻居
曹的实验室专门开发高通量单细胞测序新技术，可同时揭示数百万个单个细胞的基因表达和分子动力学。
虽然这些方法可用于各种分析，但曹的实验室专注于衰老研究。他的团队先前曾使用单细胞测序来识别罕见的脑细胞类型、追踪脑细胞如何衰老、确定最容易受到年龄相关衰退影响的细胞，并发现衰老可能是一种由特定分子信号触发的发育阶段。
曹实验室开发的两种新方法IRISeq和EnrichSci从不同角度研究细胞衰老。
IRISeq利用了最近的发现，即DNA可以像分子条形码甚至尺子一样记录哪些分子彼此靠近，曹实验室的医学博士生Abdulraouf Abdul解释道。"几个世纪以来，科学家一直依靠显微镜研究组织并了解细胞如何组织。我们想知道，DNA本身能否用于绘制整个组织图谱，而完全不需要使用显微镜？"
该技术正是为了实现这一目标而设计的。在Abdul和曹实验室研究助理Weirong Jiang的领导下，团队开发了一种无需光学设备的高通量方法，利用数百万个条形码编码的微米级珠子来捕获组织中局部基因表达信息。这些珠子与附近的珠子交换基于DNA的信号，使研究人员能够拼凑出细胞在组织中的位置——而且完全不需要显微镜。Abdul及其同事在《自然神经科学》中描述了这项工作。
"使用IRISeq，我们可以在不同细节层次上重建组织布局——几乎就像在地图上放大和缩小——而无需拍摄任何图片。这意味着我们可以研究非常大的组织片段或许多组织切片，而使用传统成像方法进行这种研究会困难得多或成本更高，"他说。"本质上，我们将测序转化为一种'观察'生物学的新方式，成本仅为传统方法的一小部分。"
曹补充道："我们可以利用这种地图交互来观察细胞在衰老过程中如何受其外部细胞相互作用的影响。它可以在大脑任何位置同时探测几乎任意两种或更多类型细胞之间的相互作用。"
使用这种方法，团队绘制了衰老大脑中的"炎症细胞微环境"。他们发现，小胶质细胞、少突胶质细胞和星形胶质细胞的炎症亚型往往在白质中聚集在一起并相互作用。这些发现表明，白质可能是衰老大脑中一个特别脆弱的区域，疾病相关的细胞状态在此出现并相互强化。
例如，他们发现称为淋巴细胞的免疫细胞以非常特定的方式在驱动衰老大脑中的炎症。
"它们的活动集中在某些区域，特别是靠近大脑充满液体的空间，即脑室，"Abdul说。"如果没有空间信息，这种局部免疫活动很容易被忽视。"
"了解哪些细胞聚集在一起以及它们在何处聚集，可以为抗衰老干预提供潜在靶点，"曹说。
意想不到的地方发生的变化
第二种方法称为EnrichSci，在《细胞基因组学》上发表，是一种单核RNA测序方法，首先针对并分离混合细胞群体中罕见但生物学相关的细胞，提高样本中目标细胞类型的百分比。在富集稀有目标细胞后，EnrichSci再聚焦于每个细胞的分子编程。
研究人员在衰老小鼠大脑中应用EnrichSci，富集了他们先前确定的在衰老过程中特别容易发生问题转变的稀有细胞群体，其中包括少突胶质细胞亚型，这些细胞仅存在于中枢神经系统中。这些细胞包裹大脑和脊髓中的神经元轴突，与神经退行性疾病相关。在这些衰老亚型中，研究人员发现了基因表达和称为"外显子"的有影响力遗传元素的变化，这些元素对基因的转录后调控至关重要。
"外显子是构成成熟RNA转录本的基因部分，这些转录本要么被翻译成蛋白质，要么发挥其他生物学功能，"曹实验室的医学博士生、论文第一作者Andrew Liao描述道。
他们发现的外显子变化表明，转录后调控在少突胶质细胞如何衰老方面起着重要作用，并可能为调节与年龄相关的神经退行性疾病中的这些变化提供新靶点。
"令人惊讶的是，我们还发现许多基因在衰老过程中不会发生显著的表达变化，但它们的外显子会发生变化，"曹补充道。"这些变化与可变剪接有关，这是创造不同蛋白质功能的关键机制。但此类变化也可能与包括癌症在内的许多疾病相关。"
超越衰老
研究人员希望他们的技术能够作为临床和研究工具，用于诊断疾病并在广泛条件下揭示新生物学。
"我们已经在扩展IRISeq的规模，以研究衰老和药理学干预，其规模在以前是不可行的。这一愿景的核心思想是细胞不会孤立行动——它们的行为取决于它们的位置以及周围有哪些其他细胞，"Abdul说。"没有这种上下文研究细胞，就像在书页被撕碎后从书中阅读单个单词。通过保留细胞之间的空间关系，IRISeq使研究人员能够在更大样本集和更广泛上下文中研究组织如何运作、变化以及对疾病的反应。"
Liao希望将EnrichSci扩展为联合分析RNA和染色质可及性。"这样的联合检测将能够捕获基因和外显子表达变化以及其潜在的表观遗传变化，"他说。"我们希望将这种方法应用于进一步研究少突胶质细胞和其他在年龄相关神经退行性疾病中易受影响的细胞类型中的衰老变化。"
曹表示，他们的新技术可用于研究多种生物背景下的细胞动力学。"虽然我的实验室专注于与衰老相关的细胞群体动力学，但这些技术可用于任何疾病模型系统。例如，IRISeq可用于研究癌症进展过程中的免疫细胞相互作用，而EnrichSci可以阐明可能参与疾病进展的转录后变化。"
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