综合学术报告

这项研究标题为“Construction of a cross-species cell landscape at single-cell level”，由多位作者合作完成，包括 Renying Wang、Peijing Zhang、Jingjing Wang、Lifeng Ma 等，第一通讯作者为 Xiaoping Han，研究单位主要来自浙江大学医学院、广州实验室、中国科学院再生医学研究所等。本研究发表于《Nucleic Acids Research》（NAR）2023年第51卷第2期，在线发布时间为2022年8月5日，属于NAR的“Breakthrough Article”类别。文章的DOI为10.1093/nar/gkac633。这是一项单细胞水平跨物种细胞图谱构建的原创性研究，为研究不同物种的细胞动态特性和衰老过程提供了基础数据。

研究的学术背景

细胞是生命的基本单位，但不同物种间细胞异质性和动态特征的比较研究却仍不充分。随着高通量单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）技术的发展，研究者们已经对多种物种的细胞进行静态单细胞转录组图谱绘制。例如，诸如Tabula Muris、Mouse Cell Atlas（MCA）、Human Cell Landscape（HCL）等具有代表性的数据集涵盖了人类和小鼠器官的胎儿和成年时期。然而，这些先前的研究大多聚焦于单一物种、单个组织或单一生命阶段，缺乏跨物种和全生命阶段的系统比较。

基于此，本文旨在通过单细胞测序技术对小鼠、斑马鱼和果蝇三个物种在多个生命阶段的细胞进行系统研究，绘制跨物种的细胞图谱，并分析细胞动力学和衰老特征，为包括发育、生成熟以及衰老在内的人类基础生命科学研究提供数据支持。

本文核心目标包括：（1）以小鼠、斑马鱼和果蝇为研究对象，通过高通量单细胞测序构建跨物种综合细胞图谱；（2）研究不同物种在全生命阶段的通路变化和共性标志；（3）探讨衰老过程中细胞及基因表达的动态改变、相似性以及潜在的干预靶点。

研究的详细流程

研究样本与实验设计

研究对象覆盖了小鼠、斑马鱼和果蝇三个经典模式生物。在小鼠中，收集了10个不同发育和衰老阶段的样本，总计1,130,794个细胞；斑马鱼覆盖了5个生命阶段，总计1,082,680个细胞；果蝇覆盖7个生命阶段，总计439,201个细胞。在实验中，各物种的样本均包括关键组织或器官，既有神经细胞、免疫细胞、上皮细胞等主流细胞类型，也包括罕见细胞亚型及未分类细胞。

实验流程

1. 单细胞RNA测序（Microwell-seq）：
   本研究使用Microwell-seq技术，这是一种高效、低成本的单细胞转录组测序方法。针对不同物种的细胞大小，本文调整了微孔和磁珠的尺寸，使用Bead 2.0与Bead 3.0分别测定小鼠和斑马鱼、果蝇样本。

样本处理包括： - 细胞与磁珠的结合； - 逆转录和第二链合成； - 条码化单细胞文库的构建、高通量测序（Illumina HiSeq或MGI DNBSEQ-T7）。

1. 数据处理与分析：
   通过STAR软件将测序数据分别比对至小鼠（GRCM38）、斑马鱼（GRCz11）和果蝇（BDGP6.28）的基因组，利用DropSeq工具生成数字基因表达矩阵。数据质量控制策略包括去除低基因检测数（<200基因）、线粒体基因表达比例过高的细胞，并使用Seurat与Scanpy执行降维、聚类以及差异基因表达分析。关键算法如DoubletFinder被用于检测双细胞污染。

2. 数据整合：
   将本研究所生成的数据集与现有公开数据整合，包括Mouse Cell Atlas (MCA)和Tabula Muris，构建“小鼠细胞发育与衰老图谱（Mouse Cell Development and Aging Atlas, MCDAA）”，以及斑马鱼细胞图谱（Zfish Cell Developmental Landscape, ZCDL）与果蝇细胞图谱（Drosophila Cell Landscape, DCL）。

3. 数据注释与物种间比较：
   结合已知细胞标志基因对细胞进行分类注释，并与其他单细胞图谱对比验证。开发在线分析工具“Cell Landscape”（http://bis.zju.edu.cn/cellatlas/），实现跨物种分析能力。

功能性实验

研究在小鼠衰老模型中使用胰岛素增敏剂吡格列酮（Pioglitazone）进行干预，评估其对衰老相关细胞功能的改善作用，进一步揭示线粒体功能与炎症的关联。

研究的主要结果

构建跨物种细胞图谱

研究成功构建了小鼠（覆盖177种细胞类型）、斑马鱼（143种细胞类型）和果蝇（85种细胞类型）的单细胞转录组图谱，并提出10条主干细胞谱系，包括内皮细胞、上皮细胞、免疫细胞、肌肉细胞、神经细胞等。同时，生成了详细的细胞亚型注释，例如小鼠肾脏中的近端小管细胞、远曲小管细胞、上升袢和下降袢环细胞等。

衰老共性标志

通过综合分析三个物种的基因表达轨迹，本文发现： 1. 免疫相关路径上调： 衰老过程中的共同上调基因涉及免疫应答、炎症反应和抗原呈递路径（如MHC基因）。 2. 线粒体功能退化： 三个物种中，氧化磷酸化、ATP代谢、脂肪酸代谢等线粒体相关基因普遍下调。 3. 细胞间作用增强： 通过CellPhoneDB分析发现，老化过程中T细胞与结构细胞（如内皮细胞）的相互作用日益增强。

药物干预改善衰老表型

吡格列酮干预可显著改善2岁衰老小鼠的肌肉力量、胰岛素敏感性及血脂水平。单细胞转录组分析表明，吡格列酮能够通过激活线粒体代谢同时减少炎症相关基因表达，从而改善衰老表型。

研究的意义与亮点

1. 综合图谱构建： 本研究为三个模式动物建立了大规模跨阶段细胞图谱，填补了单一物种图谱的不足，为跨物种细胞特性比较研究提供了广泛的数据资源。
2. 衰老机制探索： 揭示了免疫功能激活与线粒体功能退化的普遍性规律，支持“线粒体衰老学说”。
3. 创新实验设计： 使用成本低廉的Microwell-seq技术和严谨的数据分析手段，进一步开发“Cell Landscape”在线工具，显著提升了跨物种数据的可用性和可解释性。

结论

本研究通过丰富的样本量和多样的实验设计，系统性地绘制了小鼠、斑马鱼和果蝇的跨物种单细胞图谱。研究不仅为细胞发育和衰老机制的认识提供了重要见解，也为跨物种比较研究的数据共享和工具开发奠定了坚实基础。这项工作展示了未来研究跨物种生物学趋势及其临床应用价值的广域潜力。