单细胞测序 | 卡路里限制重编程衰老大鼠的单细胞转录全景图

最近受爱思考的熊启发在文献记录方面的启发，开始进行文献阅读记录。当前文献记录的脉络参考了他推送中的记录方式。

Caloric Restriction Reprograms the Single-Cell Transcriptional Landscape of Rattus Norvegicus Aging

Ma et.al.; Cell 180, 984–1001, March 5, 2020; https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.008

Abstract

background

衰老是全身多种组织功能下降的原因，而这种progressive loss可以被卡路里限制 (caloric restriction, CR)所延缓(delayed)。

aims (problems to be solved)

然而，衰老过程和经受CR改善的细胞图谱和标志物尚未被描述。

experimental design

这里，我们建立了衰老的和接受CR的大鼠(rat)的多组织单细胞/单细胞核转录组 atlases.

key results

CR 延缓(attenuate) 了衰老相关的变化，具体包括细胞组成、基因表达和核心转录调控网络
免疫细胞随衰老增加，而CR选择性地逆转了衰老所扰乱的免疫生态系统 (the aging-disturbed immune ecosystem)
计算预测表明在衰老过程中观察到的异常细胞间交流，包括过度的促炎性配体-受体相互作用，可以被CR所逆转

summary

我们的工作提供了衰老和接受CR的哺乳动物的多组织单细胞转录全景图 (landscapes), 增强我们对于CR作为一种稳健的老年保护干预手段的认知；并揭示了代谢干预是如何作用于免疫系统以更改衰老的进程

Results

Construction of Rat Cell Atlases by scRNA-Seq
- 实验流程图展示年轻大鼠（5-month-old）到中年时（18-month-old）开展Aging (随意进食(ad libitum, AL))和CR (70% Caloric Restriction)实验到27-month-old时取样进行单细胞测序。同时，展示单细胞测序取样的示意图，图上标了9个组织，实际测了7个组织 (BAT, WAT, livers, kidneys, aortas, skin, and bone marrow (BM) )。
- 在衰老过程中，CR大鼠相较正常大鼠的体重较低，血糖水平相当，寿命延长（lifespan median较正常大鼠增加5个月）
- 单细胞图谱：整合展示不同年龄、不同进食条件，以及不同的测序技术的profiles
- 展示各细胞类型在不同组织中的分布比例
Changes in Cell Proportions during Aging and CR
- dot-plot 展示各细胞类型在不同组织中的占比，并比较不同状态的细胞比例变化 (Young-AL/Old-AL & Old-AL/Old-CR)
- 观察免疫细胞 (Ptprc+)在不同状态下的细胞图谱，发现免疫细胞，例如Neutrophil and Plasmocyte 在衰老过程中增加，while rescued by CR; 此外，在衰老的组织中，M1 (促炎) / M2 (抑炎) 的比例有所上升，而CR也可以逆转这种上升的比例，表明CR诱导巨噬细胞从促炎型到抑炎型的极化
Changes in Transcriptional Profiles during Aging and CR
- aging DEGs: Young-AL/Old-AL
- CR DEGs: Old-AL/Old-CR
- rescue DEGs: reversal differential expression by CR
- Heatmap 展示不同组织当中rescue DEGs 和aging DEGs，CR DEGs的数目
CR as an Effective Intervention to Reprogram the Aging Transcriptome
- 韦恩图展示所有组织中，aging DEGs, CR DEGs 以及rescue DEGs
- 风玫瑰图分别展示三种DEGs在不同组织中的分布
- Rescue DEGs的功能富集分析
- 韦恩图展示各组织rescue DEGs的overlap，标注一部分有生物学意义的基因
DEG Networks Resolving Gene Expression Heterogeneity among Different Cell Types
- 为了探究DEGs的细胞特异性，使用基因表达网络分析，并统计各个细胞中的aging DEGs, rescue DEGs 和两者的比例。作者用网络图展示不同细胞类型中的DEG数目，越多的DEGs节点则越大。结果表明，由于ALPCs, NKTs and neutrophils 的aging DEGs最大，所以它们受aging影响最大；而ALPCs, M2 and ECs 的CR rescue效果最好；文中还列举组织特异性的例子，不再展开。
- 统计了不同细胞中rescue DEGs出现的频次，展示top 15的rescue DEGs
Changes in Core Regulatory Transcription Factors during Aging and CR
- 韦恩图展示aging, CR and rescue TFs
- 风玫瑰图分别展示三种TFs在不同组织中的分布
- 展示rescue TFs 在不同组织中DEGs靶标的分布；以及在不同组织中具体的rescue TFs
Changes in Ligand-Receptor Interactions between Different Cell Types during Aging and CR
- 展示细胞间配体-受体相互作用网络图，分别时Old-AL/Young-AL和Old-CR/Old-AL上调或下调的相互作用
- 对CR消除的配体-受体相互作用进行功能富集分析
- 统计不同组织中CR消除的配体-受体相互作用频次