《Ageing Research Reviews》：Single-cell Aging Clocks: A Precision Tool for Dissecting and Targeting the Aging Process
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单细胞衰老时钟通过高分辨率组学技术揭示年龄异质性、可塑性及调控机制，为精准延长健康寿命提供新工具。
郝玉朵|谢思佳|魏一杰|孙晓硕|肖宇|谢雪琴|韩开远|王婷|王哲鹏|张陆强|刘浩|林浩
四川癌症医院与研究所临床研究中心临床实验室，电子科技大学生命科学与技术学院，中国成都，610054
摘要
生物年龄是反映个体健康状况的指标，最初是通过测量组织整体的老化程度来确定的。然而，这些方法通过平均数千个细胞的分子信号，掩盖了衰老过程中的细胞异质性。近年来，得益于高分辨率组学技术的发展，单细胞老化时钟的出现解决了这一局限性。本文系统地概述了这些工具，包括它们的计算基础以及它们所提供的关键生物学见解。这些工具将“镶嵌式衰老”从一个假设转变为可量化的现象。它们还通过追踪疾病中的细胞类型特异性老化加速以及干预后的逆转，揭示了衰老的可塑性。此外，它们还开辟了新的生物学研究领域，包括胚胎发生过程中的“年龄重置”、组织微环境的作用以及极端长寿的分子机制。总体而言，这些发现将衰老重新定义为一种受调控的、具有潜在可塑性的生物学过程。单细胞老化时钟为开发旨在延长人类寿命的精准干预措施提供了基础。
引言
衰老是一系列慢性疾病（包括癌症、心血管疾病和神经退行性疾病）的主要风险因素（Kennedy等人，2014年；Niccoli和Partridge，2012年）。其特征是生理完整性的逐渐丧失，最终导致功能下降和死亡风险增加（López-Otín等人，2013年）。在全球人口迅速老龄化的背景下（世界卫生组织，2021年），开发延长寿命的干预措施已成为一个重要的科学和社会挑战（Kaeberlein等人，2015年）。一个关键问题是，实际年龄（以年为单位）往往不能准确反映个体的生理状态。为了解决这一问题，提出了生物年龄的概念（Jylh?v?等人，2017年）。这一概念利用可量化的生物标志物来评估个体的功能健康状况，为评估疾病风险和评估延长寿命的干预措施提供了实用工具（Hamczyk等人，2020年）。生物年龄是通过老化时钟来实现的，这些时钟是将分子生物标志物转化为可量化生物年龄的计算模型（Moqri等人，2023年）。与线性追踪实际时间不同，这些时钟能够捕捉到衰老的累积分子特征。这提供了一个动态指标，可以反映衰老的加速或保护性干预的效果（Jylh?v?等人，2017年）。
过去十年中，表观遗传学时钟的出现标志着衰老研究的重要突破（Horvath和Raj，2018年）。第一代时钟以Horvath和Hannum的基础工作为代表，利用DNA甲基化（DNAm）模式以极高的准确性预测实际年龄（Hannum等人，2013年；Horvath，2013年）。随后，第二代时钟如PhenoAge和GrimAge实现了概念上的飞跃，将研究目标从预测年龄本身转变为直接模拟健康结果，在预测发病率和死亡率方面表现更佳（Levine等人，2018年；Lu等人，2019年）。其他组学技术的进步进一步扩展了这一工具箱。基于年龄相关基因表达特征转录组时钟在血液和模式生物中展示了强大的年龄预测能力（Peters等人，2015年；Meyer和Schumacher，2021年）。利用血浆蛋白谱的蛋白质组时钟与死亡率和疾病风险有很强的关联（Lehallier等人，2019年；Tanaka等人，2020年）。同样，基于血液和尿液代谢物谱的代谢组时钟也成为了生物衰老的补充生物标志物（Hertel等人，2016年；Johnson等人，2019年；Mutz等人，2024年）。这些多组学进展为老化时钟树立了新标准，优先考虑预测健康结果和干预效果，而不仅仅是实际时间的对齐。这一概念转变为主流老年科学提供了坚实的基础（Horvath和Raj，2018年；Moqri等人，2023年；Rutledge等人，2022年）。
然而，衰老是一个多尺度的现象，其特征是不同器官、细胞类型甚至同一类型细胞内的衰老过程是异步的（López-Otín等人，2023年；Rando和Wyss-Coray，2021年；Schaum等人，2020年）。依赖数千个细胞平均信号的整体组织老化时钟不可避免地掩盖了细胞异质性的关键信息（Apsley等人，2025年；Cohn等人，2022年；Gorelov等人，2024年；Tong等人，2024年）。通过将细胞内在的分子衰退与组成变化（即不同细胞类型的相对丰度变化）混为一谈，整体组织老化时钟可能掩盖了组织衰老的真正驱动因素（Gorelov等人，2024年；Horvath和Raj，2018年）。实际上，Tong等人（2024年）的一项研究严格量化了这一问题，表明在血液中组成变化约占时钟预测准确性的39%，而在大脑中仅占12%，这突显了细胞类型分辨率的必要性。因此，整体组织时钟无法区分年龄加速是由所有细胞的轻微普遍衰退引起的，还是由一小部分但关键的细胞亚群的严重功能障碍引起的（Da Silva和Schumacher，2021年；López-Otín等人，2023年；Van Deursen，2014年）（图1）。要区分这些不同的因素，需要单细胞分辨率。
单细胞组学技术的成熟现在提供了克服这些限制所需的分辨率（J. Lee等人，2020年；Liao等人，2020年；Zhuang，2021年）。新一代单细胞老化时钟应运而生，利用单细胞转录组学、表观基因组学和空间组学技术。这些高分辨率工具不仅能够预测单个细胞的生物年龄，还能以前所未有的细节剖析衰老的异质性，从而深入理解其生物学机制。重要的是，这些单细胞模型不仅能够预测实际时间，还能捕捉与动态细胞状态（例如激活、分化）紧密相关的连续分子轨迹（Buckley等人，2022年）。通过区分内在衰老过程和急性应激反应，它们提供了在细胞层面机制上得到解释的生物年龄定义，这与特定疾病的病理情况不同。尽管最近的研究强调了这些时钟的强大能力，但对其背后的计算策略和核心生物学原理的系统性总结仍尚缺乏。在这篇综述中，我们旨在填补这一空白。首先总结代表性模型，然后重点讨论它们在三个核心领域的关键发现：揭示衰老的异质性、展示其动态可塑性以及阐明调控机制。最后，我们展望了这一快速发展的领域的未来方向和可能面临的障碍。
单细胞老化时钟
单细胞老化时钟的发展旨在从组学数据中识别可靠的年龄生物标志物（Buckley等人，2022年；Rutledge等人，2022年；Sun等人，2025年；Zakar-Polyák等人，2024年）。这项任务具有挑战性，因为单细胞数据具有独特的性质：高维度、极端稀疏性和大量的技术噪声（Aparicio等人，2020年；Chari和Pachter，2023年；Hsu和Culhane，2020年；Imoto等人，2022年；T.-T. Li等人，2024年；Wu和Zhang，2020年）。成功与否取决于……
在单细胞分辨率下剖析衰老的镶嵌性：异质性
衰老是一个高度异质的过程，并不是在整个生物体内同步发生的均匀衰退（Cohen等人，2020年；Kuchel等人，2025年；Mitnitski等人，2016年；Nguyen等人，2021年；Rogina，2020年）。这种不同组织和细胞以不同速率衰老的镶嵌模式长期以来一直是老年科学的基础概念（Rando和Wyss-Coray，2021年；Vijg和Dong，2020年；Walker和Herndon，2010年）。先前的研究表明，生理上不同的“年轻”和“老”细胞……
衰老的可塑性：疾病加速与干预逆转
单细胞老化时钟的一个关键贡献是表明生物年龄不是一个静态的标志物，而是一个可以随时间精确追踪的动态状态（Buckley等人，2022年；Tong等人，2024年；Zakar-Polyák等人，2024年）。这一能力使研究人员能够监测特定细胞群体在各种刺激下的年龄相关变化，揭示了衰老的可塑性（Buckley等人，2022年；Stanley等人，2025年；Tong等人，2024年；Zakar-Polyák等人，2024年）
解码衰老程序：年龄重置、生态位和长寿
除了量化异质性和可塑性之外，单细胞老化时钟还揭示了衰老生物学的基本原理。它们将衰老从一个被动的过程转变为一个高度受调控的、可编程的、依赖上下文的生物过程（DiLoreto和Murphy，2015年；Li等人，2020年；Y. Li等人，2024年；Wang等人，2022年）。我们强调了三个为这一概念转变提供主要证据的发现（图5）。
一个核心发现是……
挑战与未来方向
单细胞老化时钟在揭示衰老的异质性、可塑性和调控机制方面展现了巨大潜力。然而，目前的衰老时钟主要还处于描述性阶段，在将这些见解转化为精准干预策略方面仍存在关键差距。
衰老时钟的预测准确性主要受训练数据的质量和覆盖范围的限制。因此，像Tabula Muris Senis（TMS）这样的基础单细胞老化图谱……
结论
本文回顾的单细胞老化时钟提供了互补的生物学视角。表观遗传学时钟主要记录了衰老的累积和持久性特征，这一点在它们能够追踪胚胎发生过程中的显著生物年龄重置方面表现得最为明显。相比之下，转录组时钟对短暂和应激引起的波动非常敏感，例如在急性感染期间免疫年龄的快速加速及其随后的恢复
未引用的参考文献
(Lee等人，2020年；Li等人，2025年；Li等人，2024年；Pott，2017年；Van den Brink等人，2017年；世界卫生组织，2021年)
CRediT作者贡献声明
郝玉朵：概念化、方法学、研究、初稿撰写、可视化、审稿与编辑。谢思佳：研究、初稿撰写、审稿与编辑。魏一杰：研究、初稿撰写、审稿与编辑。孙晓硕：研究、初稿撰写、审稿与编辑。肖宇：研究、初稿撰写、审稿与编辑。谢雪琴：可视化、审稿与编辑。韩开远：可视化、审稿与编辑。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了OpenAI（Chat-GPT）来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
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