老年医学

Nature子刊: 衰老人肺纤维化变化的分子程序

作者:佚名 来源:生物谷 日期:2021-11-17
导读

          随着年龄的增长,肺纤维化越来越多,并与急性肺损伤或感染的不良预后相关。然而,驱动这种促纤维化进化的分子程序尚不清楚。在这里,作者分析了来自健康人类捐赠者的整个生命周期的远端肺样本。大体积RNAseq的基因表达谱显示,随着年龄的增长,细胞衰老和促纤维化途径激活都在增加。端粒长度的定量显示,端粒长度随着年龄的增长而逐渐缩短,这与DNA损伤灶和细胞衰老有关。

关键字:  肺纤维化 

        随着年龄的增长,肺纤维化越来越多,并与急性肺损伤或感染的不良预后相关。然而,驱动这种促纤维化进化的分子程序尚不清楚。在这里,作者分析了来自健康人类捐赠者的整个生命周期的远端肺样本。大体积RNAseq的基因表达谱显示,随着年龄的增长,细胞衰老和促纤维化途径激活都在增加。端粒长度的定量显示,端粒长度随着年龄的增长而逐渐缩短,这与DNA损伤灶和细胞衰老有关。

        RNAseq 数据的细胞类型去卷积分析表明,随着年龄的增长,肺上皮细胞逐渐减少,成纤维细胞比例增加。与这种促纤维化特征一致,老年肺的二次谐波成像显示间质胶原密度增加以及肺泡扩张和表面活性剂分泌减少。在这项工作中,作者揭示了正常肺衰老中纤维化和相关功能损害的转录和结构特征。

        随着年龄的增长,肺活量和弹性的下降和对疾病的易感性增加与急性和慢性肺病的病理生物学和分子机制有关,而慢性肺病的发病率大多随年龄的增长而增加。因此,针对呼吸老化的治疗或预防将需要了解肺特定的老化分子程序。已经进行了许多关于肺衰老的转录组研究,包括小鼠研究和一个比较中老年人肺的转录组数据集。然而,成人范围内的转录组分析以及伴随的结构和功能分析尚不可用。

        在这项工作中,为了描述年龄对肺分子自然史的影响,作者收集了未用于临床移植的人类死亡供体肺进行多模态分析,包括基因表达谱、端粒长度定量、肺胶原蛋白成像以及肺泡动力学。转录组分析显示衰老和促纤维化途径以及细胞进化的增加,包括纤维母细胞比例的增加和上皮细胞的减少。影像学证实了纤维变性,间质胶原增加,肺泡膨胀和表面活性剂分泌受损。总之,这些发现为人类肺随着年龄的增长而纤维化的进化提供了一个分子蓝图。

        在 6 年的时间里,作者前瞻性地收集了 86 个人类死亡供体肺,作为肺老化队列 (LAC) 的一部分。 肺的年龄分布在 16 至 76 岁之间。供体未发现任何潜在肺部疾病。从远端肺部采集组织样本,并在接收时用液氮冷冻。在cDNA文库制备后,从这些样本中提取RNA,用于基于illumina的测序。唯一映射读数的数量从 1910 万到 4270 万不等,每个样本平均有 2530 万个读数。

        使用控制性别和吸烟状态的广义线性模型进行差异基因表达分析,发现在LAC中有22个基因作为连续变量与年龄显著相关。为了验证这一肺衰老基因特征,作者使用了来自300多个个体多个组织的基因型组织表达(GTEx)项目的公开数据。在GTEx肺样本中,LAC基因标记也与年龄相关。有趣的是,在暴露于阳光的皮肤区域的老化中发现了肺老化基因特征的重叠,但在未暴露于阳光的皮肤、肾脏、肝脏或心脏中没有发现。

        考虑到细胞衰老与衰老的相关性,作者对样本进行了细胞衰老标志物和通路的调查。典型衰老标志物p16 (CDKN2A)是衰老肺中表达最高的基因之一。为了进一步评估衰老重编程,作者询问了一个共识的衰老基因标记是否在LAC中上调,该标记最近被我们定义为衰老肺上皮细胞和成纤维细胞的RNA-seq。在LAC和GTEx Lung数据集中,衰老基因标记的一致性随年龄增加而增加。然后,作者对LAC中与衰老相关的基因进行了精巧路径分析(IPA),识别了在GTEx肺中被广泛验证的路径。与细胞衰老一致的是,通过IPA和基因本体学分析,细胞增殖途径被抑制,衰老肺部的上游调控因子p16 (CDKN2A)和p21 (CDKN1A)都被激活。

        细胞衰老与纤维化性肺病有关,部分原因是与衰老相关的分泌谱具有促纤维化作用。因此,作者认为细胞衰老也可能是与衰老相关的亚临床间质纤维化或肺间质异常的基础,这是一种最近在无症状老年人的影像学研究中发现的现象。这些纤维化的影像学表现与纤维化的组织病理学特征相关,包括纤维母细胞灶和胸膜下分布。

        然而,在衰老的肺中,分子和细胞程序对促纤维化的进化知之甚少。作者首先注意到,通过IPA,与间充质激活和纤维化相一致的通路(tgf - β通路介质和上皮-间充质过渡调节因子TWIST1)在老年肺中被激活。这些结果在GTEx肺数据集中得到了很大程度的证实,但在其他器官中却不一致。此外,在LAC中,随着年龄的增长,几个上调最高的基因(图1d)已经知道了促纤维化作用; 例如,RSPO4与肺纤维化患者的肺功能下降有关。

        作者还利用从 Biocarta、Reactome、KEGG、Qiagen Pathway Central、NCI 和 HumanCYC 数据库中提取的超过 3044 条人类分子通路进行了通路激活水平分析,比较了 LAC 和 GTEx 肺中最老和最年轻的五分之一,发现多重生长 与纤维化有关的因子途径,如 PDGF、FGF、LPA 和 ephrin A,在衰老的肺中上调。

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