衰老是一個復(fù)雜的多因素過程，在細(xì)胞水平上表現(xiàn)為細(xì)胞衰老：一種不可逆的細(xì)胞周期停滯狀態(tài)【1, 2】 。盡管單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的發(fā)展為高分辨率解析細(xì)胞異質(zhì)性提供了可能，但由于經(jīng)典的衰老標(biāo)志物（如p16、p21等）通常表達(dá)水平低，且受限于單細(xì)胞測序固有的數(shù)據(jù)丟失和技術(shù)噪聲，在單細(xì)胞數(shù)據(jù)中精準(zhǔn)識別衰老細(xì)胞一直面臨巨大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的基因集評分方法在處理這些微弱信號時往往精度不足。

近日，東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院/附屬中大醫(yī)院/生命健康高等研究院徐鵬和孔藝萌團(tuán)隊在Genome Biology雜志上發(fā)表了題為：ICE: robust detection of cellular senescence from weak single-cell signatures using imputation-based marker refinement的一項研究，開發(fā)了一種名為ICE的計算框架。該研究通過整合表達(dá)插補與標(biāo)記基因優(yōu)化策略，顯著提升了從單細(xì)胞數(shù)據(jù)中識別微弱衰老信號的靈敏度與特異性，并利用該工具揭示了胰島β細(xì)胞和阿爾茨海默病小膠質(zhì)細(xì)胞中特定的衰老亞群及其潛在機(jī)制。

研究人員首先在泛組織水平上考察了衰老基因的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)衰老相關(guān)基因在多種人體組織中呈現(xiàn)出普遍的低表達(dá)特征。在單細(xì)胞水平上，無論是癌基因誘導(dǎo)還是復(fù)制性衰老的標(biāo)志物，其檢出率均顯著低于常規(guī)細(xì)胞類型標(biāo)記物，這意味著直接使用傳統(tǒng)的基因集評分方法很難有效區(qū)分衰老細(xì)胞。

針對這一難題，研究團(tuán)隊開發(fā)了ICE算法。該算法的核心策略在于“先插補，后優(yōu)化”：首先對零膨脹的單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和插補，恢復(fù)丟失的基因表達(dá)信號；隨后基于增強(qiáng)的信號計算富集分?jǐn)?shù)并確定最佳分類閾值；最后利用初步分類結(jié)果進(jìn)行差異表達(dá)分析，迭代優(yōu)化標(biāo)記基因集，進(jìn)一步提高檢測的魯棒性。

研究人員利用包含基準(zhǔn)真值的胰島單細(xì)胞數(shù)據(jù)集對ICE進(jìn)行了嚴(yán)格的測試。在檢測胰島α細(xì)胞時，當(dāng)僅使用10個微弱標(biāo)記基因的情況下，傳統(tǒng)的GSEA【3】方法僅能識別出約55.6%的真實α細(xì)胞，而ICE的識別精度高達(dá)98.1%，且誤差率從44.4%顯著降低至1.9%。在受試者工作特征曲線分析中，ICE的曲線下面積超過0.99，顯著優(yōu)于AUCell【4】 、UCell【5】、GSVA【6】等其他六種主流方法。這種優(yōu)勢在胰島β細(xì)胞、γ細(xì)胞以及大腦中的各類神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中均得到了驗證。

除了方法學(xué)上的創(chuàng)新，該研究還展示了ICE在解析人類衰老異質(zhì)性方面的應(yīng)用潛力。在骨骼肌纖維-脂肪祖細(xì)胞中，ICE利用通用的SenMayo衰老標(biāo)記集【7】 ，成功識別出一群主要存在于老年供體中的衰老細(xì)胞。與現(xiàn)有工具相比，ICE識別的這些細(xì)胞表現(xiàn)出更顯著的衰老相關(guān)分泌表型（SASP）基因高表達(dá)特征，如IL6和CXCL8，這與肌肉萎縮和纖維化的病理機(jī)制密切相關(guān)。

進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊利用ICE深入探索了胰島β細(xì)胞和阿爾茨海默病小膠質(zhì)細(xì)胞中的衰老亞群。在胰島β細(xì)胞中，ICE識別出一群高表達(dá)ATF3的細(xì)胞亞群，這群細(xì)胞表現(xiàn)出未折疊蛋白反應(yīng)通路的激活，并伴隨促凋亡基因DDIT3的上調(diào)，提示其可能代表了衰老過程中處于慢性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)的細(xì)胞群體【8】 。

在阿爾茨海默病患者的大腦樣本中，ICE發(fā)現(xiàn)了一類高表達(dá)MX1的小膠質(zhì)細(xì)胞亞群，這類細(xì)胞表現(xiàn)出I型干擾素信號通路的顯著激活。分析顯示，MX1的表達(dá)水平與阿爾茨海默病的病理進(jìn)程呈正相關(guān)，提示這類干擾素反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞可能通過介導(dǎo)神經(jīng)炎癥參與了疾病的病理進(jìn)展【9】。

綜上所述，該研究提出了針對微弱信號優(yōu)化的單細(xì)胞衰老檢測工具ICE。通過克服單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)中的信號丟失和噪聲問題，ICE不僅實現(xiàn)了對衰老細(xì)胞的精準(zhǔn)識別，還揭示了不同組織和疾病背景下衰老狀態(tài)的高度異質(zhì)性。這一工具為深入研究衰老的時空動態(tài)及其在病理條件下的作用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院/附屬中大醫(yī)院/生命健康高等研究院徐鵬研究員為該論文的第一兼通訊作者，孔藝萌教授為該論文的共同通訊作者，博士生張涵韜為該論文的共同第一作者。

制版人：十一

參考文獻(xiàn)

1.Lopez-Otin C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G: Hallmarks of aging: An expanding universe.Cell2023, 186:243-278.

2.Cai Y, Song W, Li J, Jing Y, Liang C, Zhang L, Zhang X, Zhang W, Liu B, An Y, et al: The landscape of aging.Sci China Life Sci2022, 65:2354-2454.

3.Subramanian A, Tamayo P, Mootha VK, Mukherjee S, Ebert BL, Gillette MA, Paulovich A, Pomeroy SL, Golub TR, Lander ES, Mesirov JP: Gene set enrichment analysis: A knowledge-based approach for interpreting genome-wide expression profiles.Proceedings of the National Academy of Sciences2005, 102:15545-15550.

4.Aibar S, Gonzalez-Blas CB, Moerman T, Huynh-Thu VA, Imrichova H, Hulselmans G, Rambow F, Marine JC, Geurts P, Aerts J, et al: SCENIC: single-cell regulatory network inference and clustering.Nat Methods2017, 14:1083-1086.

5.Andreatta M, Carmona SJ: UCell: Robust and scalable single-cell gene signature scoring.Comput Struct Biotechnol J2021, 19:3796-3798.

6.H?nzelmann S, Castelo R, Guinney J: GSVA: gene set variation analysis for microarray and RNA-seq data.BMC Bioinformatics2013, 14:7.

7.Saul D, Kosinsky RL, Atkinson EJ, Doolittle ML, Zhang X, LeBrasseur NK, Pignolo RJ, Robbins PD, Niedernhofer LJ, Ikeno Y, et al: A new gene set identifies senescent cells and predicts senescence-associated pathways across tissues.Nat Commun2022, 13:4827.

8.Yong J, Parekh VS, Reilly SM, Nayak J, Chen Z, Lebeaupin C, Jang I, Zhang J, Prakash TP, Sun H, et al: Chop/Ddit3 depletion in beta cells alleviates ER stress and corrects hepatic steatosis in mice.Sci Transl Med2021, 13.

9.Roy ER, Chiu G, Li S, Propson NE, Kanchi R, Wang B, Coarfa C, Zheng H, Cao W: Concerted type I interferon signaling in microglia and neural cells promotes memory impairment associated with amyloid beta plaques.Immunity2022, 55:879-894 e876.

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