人类大脑衰老的单细胞转录组与基因组动态变化图谱解析

本研究通过单核RNA测序(snRNA-seq)、单细胞全基因组测序(scWGS)和空间转录组技术，系统揭示了人类前额叶皮层从婴儿期到百岁老人的细胞特异性衰老特征。研究发现婴儿期特有的神经发育相关基因簇，以及跨细胞类型普遍下调的核糖体、转运和代谢相关管家基因。同时鉴定出两个与转录激活和抑制相关的年龄依赖性突变特征A1和A2，揭示了神经元中基因长度和表达水平依赖的体细胞突变模式。该研究为理解人类大脑发育和衰老提供了重要分子见解，发表于《Nature》杂志。

人类大脑作为最复杂的器官，其衰老过程伴随着认知功能下降和神经退行性疾病风险增加。尽管大量研究表明衰老与细胞损伤积累相关，但细胞类型特异性的分子变化机制仍不清楚。特别是在前额叶皮层(PFC)这一负责高级认知功能的脑区，从发育到衰老的转录组和基因组动态变化尚未系统阐明。传统批量测序技术掩盖了细胞异质性，而单细胞技术的出现为解析这一复杂过程提供了新机遇。

研究人员采用snRNA-seq、scWGS和MERFISH空间转录组技术，分析了19名神经正常捐赠者（从婴儿到百岁老人）的PFC样本。关键技术包括：1）液滴法单核RNA测序获得367,317个核的转录组；2）PTA扩增的单细胞全基因组测序；3）基于Ultra平台的MERFISH空间转录组验证；4）SCAN2算法识别体细胞单核苷酸变异(sSNVs)。样本来自NIH NeuroBioBank等机构，涵盖不同年龄段和性别。

细胞类型比例变化

通过UMAP聚类鉴定出31个细胞群，包括各层兴奋性神经元、4种抑制性神经元(IN-PV/IN-SST/IN-SV2C/IN-VIP)和神经胶质细胞。研究发现婴儿特有的神经元和星形胶质细胞亚群表达神经发育基因如SLIT3和ROBO1。虽然神经元/胶质细胞比例保持稳定，但少突胶质前体细胞(OPCs)随年龄减少而成熟少突胶质细胞增加。

跨细胞类型的共同下调

老年大脑中，管家基因普遍下调，涉及核糖体、转运和代谢功能。DepMap分析显示这些下调基因对细胞存活至关重要。相反，神经元特异性基因表达保持稳定。MERFISH验证了9个核糖体蛋白基因和线粒体电子传递链基因（除复合体II外）的协调下调。

突变特征反映转录状态

scWGS揭示神经元每年积累15.1个sSNVs，包含两个特征：A1（类似COSMIC SBS5）与年龄正相关，富集于高表达基因和活跃染色质区域；A2（类似SBS30）在婴儿神经元中占主导，富集于低表达区域。A1显示转录链偏向性，表明转录偶联的DNA损伤修复。

基因长度与表达变化的关系

线性回归显示长基因在衰老中表达更稳定，尤其在神经元中。管家基因（通常较短）比神经元特异性基因（通常较长）更易下调。MERFISH证实短管家基因在老年大脑中显著下调。sSNVs在管家基因中呈长度依赖性减少，而在神经元特异性基因中无此关联。

这项研究首次系统描绘了人类大脑衰老的单细胞多组学图谱，揭示了转录组和基因组的协同变化规律。研究发现：1）婴儿期特有的发育程序与老年期普遍的代谢功能下调形成鲜明对比；2）神经元通过维持长基因表达来保护细胞身份，同时承受短管家基因的转录下降；3）体细胞突变特征A1/A2反映了大脑生命周期中不同的DNA损伤修复模式。这些发现为理解神经退行性疾病的发病机制提供了新视角，特别是揭示了转录活跃基因组区域的突变积累如何可能导致年龄相关的功能衰退。研究建立的单细胞多组学方法框架也为探索其他器官的衰老机制提供了范式。