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Cell封面文章 | 利用高精度单细胞转录组测序技术首次绘制食蟹猴卵巢单细胞衰老图谱

卵巢是机体衰老过程中较早出现退行性变化的器官之一,其衰老表现包括卵母细胞数量减少、质量下降,以及相应的女性生殖力降低。此外,卵巢衰老伴随的性激素分泌紊乱还可能导致衰老相关疾病如心血管疾病的发生。但迄今为止,科学界对人类卵巢衰老机制仍然知之甚少,这无疑制约了女性卵巢衰老及相关疾病干预手段的发展。

1月30日,北京大学汤富酬研究组与中国科学院动物研究所刘光慧研究组、曲静研究组、美国索尔克(Salk)研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte研究组等研究团队合作,在Cell杂志在线发表题为“Single-Cell Transcriptomic Atlas of Primate Ovarian Aging”的文章(封面文章)。该研究利用高精度单细胞转录组测序技术首次绘制了食蟹猴卵巢的单细胞衰老图谱,同时利用人类卵巢细胞研究体系,发现增龄伴随的抗氧化能力的下降是灵长类卵巢衰老的主要特征之一。

卵巢结构复杂,细胞组成具有高度异质性,其中包含处于多个不同发育阶段的卵泡,还有其它为卵泡发育提供必要营养和支撑的多种细胞类型。。“这就好比一个精密的机械钟表,里面需有多种不同大小和用途的齿轮相互连接和相互协同,以确保其正常工作。”该研究的第一作者之一、中科院动物所副研究员王思说。而利用传统研究技术难以精确揭示衰老过程中不同类型的细胞的衰老规律及分子调控机制。此外,由于伦理及样本来源的限制,难以获得跨越年轻年老的人类正常卵巢组织。

图:衰老卵巢染色

在该项研究中,研究人员分别获取了年轻和年老食蟹猴的卵巢组织,通过组织病理学分析发现年老食蟹猴卵巢组织呈现出闭锁卵泡增加、健康卵泡减少,并且纤维化程度增加等衰老特征,提示年老灵长类卵巢出现了结构和功能的退行性变化。进而,研究者通过高精度单细胞转录组测序技术,系统地揭示了包括卵母细胞、颗粒细胞、基质细胞、平滑肌细胞、内皮细胞、自然杀伤T细胞和巨噬细胞等在内的灵长类卵巢主要细胞类型的基因表达特征,鉴定并验证了多个卵母细胞特异的新型标志基因。由于卵泡发生是一个多阶段的复杂发育过程,研究人员基于阶段特异的分子表达水平和转录因子调控网络,在单细胞分辨率解析了处于不同发育成熟阶段的4个卵母细胞亚群,并揭示了重要转录因子在这些亚群中的协同调控机制

通过进一步的探索,该项研究发现衰老导致卵巢中细胞类型特异性的氧化还原调控网络失衡。在衰老过程中,早期卵母细胞的线粒体功能及氧化还原酶相关基因如GPX1、GSR等的表达显著下调,提示相比于中晚期的卵母细胞而言,早期卵母细胞对衰老相关的氧化应激更为敏感。此外,颗粒细胞作为卵母细胞的“保育员”,在卵泡发育和成熟过程中扮演着重要的角色。该项研究发现在衰老过程中颗粒细胞的氧化损伤增加,伴随着促凋亡基因表达上调、氧化还原酶相关基因表达下调。在此基础上,鉴定出IDH1和PRDX4等氧化还原调控基因是颗粒细胞衰老的新型分子标志物。

图:灵长类卵巢衰老高分辨率分子图谱研究

那么,人类卵巢在衰老过程中,是否也有与食蟹猴相似的细胞分子事件呢?

为深入探究人类卵巢衰老是否也发生了与食蟹猴相似的细胞分子事件,研究人员从进行辅助生殖技术治疗的健康女性的卵泡液中分离了颗粒细胞。利用这些细胞,验证了前述增龄相关细胞氧化损伤的增加以及新型衰老标志物的表达变化等。同时,在人类颗粒细胞中证实了氧化还原基因表达改变与细胞凋亡及线粒体功能紊乱之间的因果联系。

图:封面故事《猴子捞月》

该项研究是国际上首次报道非人灵长类器官衰老的高精度单细胞转录组图谱研究,揭示了细胞类型特异性的氧化还原调控的失稳是包括人类在内的灵长类卵巢衰老的共性分子机制。研究加深了人们对卵巢组织结构增龄性变化的认识,解析了衰老过程中不同卵巢细胞类型的易感性及易感分子,提供了灵长类卵巢衰老的潜在调控靶标信息,为预警卵巢衰老及女性生殖力下降提供了新的生物学标志物,为发展延缓卵巢衰老及相关疾病的干预策略奠定了理论基础。

据悉,该项研究由北京大学、中科院动物所、中科院干细胞与再生医学创新研究院、北京大学第三医院、中科院北京基因组所、首都医科大学宣武医院、美国索尔克研究所等机构合作完成。中科院动物所刘光慧研究员、北京大学汤富酬教授、中科院动物所曲静研究员、美国索尔克研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授为共同通讯作者。中科院动物所王思副研究员、北京大学博士生郑宇轩、中科院动物所李静宜副研究员、北京大学第三医院于洋研究员和中科院北京基因组所张维绮研究员为并列第一作者。中科院动物所周琪院士、北京大学第三医院乔杰院士、宣武医院陈彪教授以及中科院动物所宋默识研究员为本文的共同高级作者。该项目获得国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市等项目的资助。

原文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30056-8

参考资料:

北大生科:Cell | 汤富酬组与合作实验室共同揭示灵长类卵巢衰老的分子标记物

http://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/14948.html

中国科学报:科学家发现卵巢衰老分子标记物

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/1/435271.shtm

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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