衰老和国自然
生物体的衰老会发生一系列的内部结构和功能变化。其中，细胞衰老是基本的衰老机制。作为近几年兴起的研究领域，衰老在国自然申请中越来越占据优势。同时，针对衰老细胞相关的分子标志物和调控机制研究也在近年的科研中备受关注。
衰老相关国自然课题数据分析[1]
衰老和三维基因组结构
一方面，细胞的衰老程序可以通过一系列生理信号和病理应激诱导激活，例如：复制应激（DNA复制机制缺陷和端粒缩短）、癌基因激活、氧化应激、DNA损伤和药物化疗。细胞衰老的主要细胞和分子效应包括代谢和线粒体的改变、DNA损伤的积累等。这些都会导致细胞周期不可逆的停滞，引起衰老相关的分泌表型以及染色质重排。近年来的多项研究显示，衰老细胞与染色质结构变化关联密切，并且通常伴随有一致的转录程序改变[2]。
细胞衰老与染色质重排关联[2]
另一方面，围绕与年龄有关的衰老过程，关注其对于不同类型或不同功能细胞的影响，聚焦功能表型相关的基因组三维结构的变化，探讨染色质结构与基因调控网络的关联，找到基因转录过程的关键调节因子。这种机制研究有助于通过染色质结构分析来解析不同衰老状态的分子特征，以帮助指导临床应用。
衰老相关三维基因组重构的研究成果众多，研究方案成熟。今日精选三篇应用，特用于分享相应研究思路。
案例一
表观遗传信息的丢失加速了衰老[3]
文章题目：Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging
发表期刊：Cell（IF：59.9）
发表时间：2023年1月
研究材料：小鼠成纤维细胞
组学方法：RNA-seq、ChIP-seq、Hi-C、HiChIP、WGS、RRBS
研究团队：美国哈佛医学院
研究结果
该研究使用一种被称为“ICE”(表观基因组可诱导改变)的系统，在细胞和小鼠中创造DNA损伤（双链DNA断裂）而不造成突变，发现ICE小鼠表现出明显的衰老相关表型。接下来，研究人员比较ICE小鼠和对照小鼠的基因表达、DNA甲基化图谱、组蛋白修饰和三维基因组结构。结果发现，ICE小鼠的衰老相关基因表达失调；ICE小鼠的表观遗传时钟（DNA甲基化）速度比对照组快∼50%，与处理的ICE成纤维细胞非常相似；ICE细胞中H3K27ac和H3K56ac信号增加，H3K27me3信号减少的基因与细胞身份和发育过程异常有关；ICE细胞中TAD保持完整，但H3K27ac信号增加的Hoxa gene(Hoxa 9-13)与邻近TAD中的活性增强子形成新的启动子-增强子互作，伴随着一致的mRNA水平的增加。该研究确认DNA修复行为在生理、认知和分子水平上促进了衰老。最后，研究人员通过在ICE小鼠体内过表达Yamanaka因子OSK（Oct4、Sox2和Klf4）来重塑表观基因组，发现OSK可以逆转此种表观基因组诱导改变的衰老。
左：模式图-染色质因子在DNA断裂修复过程中定位改变，表观基因组发生变化，表观遗传时钟加速
右：ICE处理破坏了表观遗传信息
案例二
与年龄相关的甲羟戊酸通路异常会导致卵母细胞减数分裂缺陷和非整倍体性[4]
文章题目：Granulosa cell mevalonate pathway abnormalities contribute to oocyte meiotic defects and aneuploidy
发表期刊：Nat Aging（IF：16.6）
发表时间：2023年5月
研究材料：小鼠卵母细胞
组学方法：Hi-C、SMART-seq、RNA-seq
研究团队：南京大学医学院附属鼓楼医院、上海交通大学医学院附属第九人民医院、南京医科大学
研究结果
该研究利用微量卵母细胞转录组测序和Hi-C等技术，解析了年轻（6周龄）和生殖衰老（10月龄）小鼠不同减数分裂阶段（生长期（GO期）、充分生长期（FGO期），第一次减数分裂中期（MI期，MIO）、第二次减数分裂中期（MII期，MIIO））卵母细胞基因表达和染色质结构变化，发现衰老导致MI期卵母细胞染色质压缩异常和减数分裂相关基因表达异常。进一步比较年轻和生殖衰老小鼠不同减数分裂阶段卵母细胞周围颗粒细胞（GCs）基因表达模式变化，发现在年轻小鼠的GC中，与减数分裂成熟密切相关的甲羟戊酸途径（mevalonate, MVA途径）基因表达呈现出显著增强的趋势，而在衰老小鼠的GC中，MVA途径基因表达大幅下调。
老年小鼠的MI期卵母细胞（MIO）中染色体压缩程度下降
通过使用他汀类药物抑制GCs中的MVA代谢途径后，该研究观察到年轻小鼠的卵丘-卵母细胞复合体（COC）中出现了明显的减数分裂缺陷和非整倍体率上升。相应地，在衰老小鼠COC中补充甲羟戊酸代谢中间产物-香叶基香叶基醇(GGOH)，可以改善衰老小鼠卵母细胞的减数分裂缺陷，并显著降低非整倍体率。为了解析颗粒细胞甲羟戊酸通路调控卵母细胞减数分裂进程的机制，该研究进一步采用甲羟戊酸通路不同阶段抑制剂处理年轻COCs，结果显示，GGOH处理能够在衰老GCs中激活LHR/EGF信号通路，并促进卵母细胞内减数分裂相关基因的表达，从而调控卵母细胞减数分裂进程和整倍性。
衰老小鼠MIO细胞经GGOH处理后染色质压缩程度与年轻小鼠相似
案例三
骨骼肌干细胞谱系发育和衰老过程中的3D基因组重组[5]
文章题目：Multiscale 3D genome reorganization during skeletal muscle stem cell lineage progression and aging
发表期刊：Sci Adv（IF：14.957）
发表时间：2023年2月
研究材料：小鼠骨骼肌干细胞
组学方法：RNA-seq、ChIP-seq、ATAC-seq、Hi-C、RNA-seq
研究团队：香港中文大学
研究结果
首先，该研究收集Pax7-nGFP小鼠骨骼肌干细胞（也称为卫星细胞，SC），包括新鲜分离的骨骼肌干细胞（FISC）和静息态骨骼肌干细胞（QSC），以及由FISC体外培养得到的活化SC (ASC-D1)、增殖态细胞 (ASC-D2) 和早期分化细胞 （ASC-D3）。通过Hi-C，该研究系统性地描绘了小鼠卫星细胞谱系进展过程中三维基因组结构的重组现象，结合Hi-C、ChIP-seq和RNA-seq分析，该研究发现，在骨骼肌干细胞激活阶段（早期QSC/FISC/D1 vs 后期D2/D3），染色质compartment层面的变化最为显著。此外，在早期激活过程（QSC vs FISC）中，TAD边界的绝缘性明显减弱，染色质loop也显著减少。同时，TADs能够形成TAD簇，其中包含超增强子的TAD-TAD cluster在调控特定发育阶段的基因表达中起到关键协调作用。结合ATAC-seq和ChIP-seq进一步研究loop，该研究发现转录因子PAX7在增强子-启动子loop的形成过程中起着至关重要的作用，还鉴定出了对Pax7基因的局部染色质结构以及表达都至关重要的顺式调控元件（RE）。
多个RE影响Pax7基因的局部染色质结构以及表达
接下来，该研究分别从年轻、衰老（aged）和老年（geriatric）野生型C57BL/6小鼠中收集了FISC，通过Hi-C和RNA-seq研究生理衰老对SC染色质结构和转录组的影响，发现随着衰老发生，SC中的远距离互作显著增强，TAD边界的绝缘性减弱，整体的多层级三维染色质结构变化支持了衰老过程中的转录组重塑。
小鼠衰老过程的全局DNA互作变化
总 结
三维基因组结构的动态变化可以影响基因表达、细胞分化和个体发育等关键生物学过程。解析基因组的空间构象如何参与复杂的生理、病理过程，有助于指导疾病的预防、诊断和治疗手段的创新。衰老是一个复杂且重要的生物学过程，研究衰老有关的三维基因组变化，对于我们理解年龄相关疾病和寻找抗衰老策略具有重要价值。
参考文献
1. https://www.xiahepublishing.com/2475-7543/MRP-2023-09131
2. Shaban H A, Gasser S M. Dynamic 3D genome reorganization during senescence: defining cell states through chromatin[J]. Cell Death & Differentiation, 2023: 1-7.
3. Yang J H, Hayano M, Griffin P T, et al. Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging[J]. Cell, 2023, 186(2): 305-326. e27.
4. Liu C, Zuo W, Yan G, et al. Granulosa cell mevalonate pathway abnormalities contribute to oocyte meiotic defects and aneuploidy[J]. Nature Aging, 2023: 1-18.
5. Zhao Y, Ding Y, He L, et al. Multiscale 3D genome reorganization during skeletal muscle stem cell lineage progression and aging[J]. Science Advances, 2023, 9(7): eabo1360.
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