《Nature Aging》：Spontaneous aging-associated inflammation and genome instability in the immune system of turquoise killifish
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为解决免疫衰老的分子机制尚未明确的问题，研究人员以短寿命脊椎动物青鳉鱼为模型，开展了免疫系统老化的研究。他们通过单细胞RNA测序、细胞流式术、蛋白质组学和体外功能测定，发现老年青鳉鱼免疫系统在不到10周内即发生衰老转变，表现为炎症增加、DNA损伤累积、DNA修复能力下降及功能衰退。该研究揭示了免疫衰老的保守特征，为开发靶向免疫系统的抗衰老干预措施提供了宝贵见解。
随着全球人口老龄化趋势加剧，理解衰老过程及其相关疾病成为生命科学领域的核心挑战之一。免疫系统老化是机体衰老的关键驱动因素，它会导致对感染和肿瘤的抵抗力下降，组织再生能力减弱，并引发一种称为“炎性衰老”的低度、慢性炎症状态。尽管在哺乳动物中，免疫衰老与DNA损伤增加、髓系细胞增多和炎症介质分泌增强等现象相关，但其潜在的分子和细胞原因仍不清楚，且这些特征在哺乳动物以外的脊椎动物中是否保守也知之甚少。为了回答这些根本问题，寻找能够模拟人类衰老关键特征的模型至关重要。
在此背景下，一种名为青鳉鱼的小型鱼类走入了科学家的视野。非洲鳉属鱼类，特别是青鳉鱼，是已知寿命最短的脊椎动物之一，在性成熟后仅存活数月，却能重现人类衰老的许多关键方面，如端粒缩短、肿瘤发生、神经变性和组织再生能力下降等。这使得它们成为一个极有前景的体内衰老研究模型。然而，其免疫系统如何随时间而老化，以及这种老化是否遵循哺乳动物中观察到的模式，仍然是一个悬而未决的问题。为了探索脊椎动物免疫衰老的保守机制，并发现增强衰老过程中免疫健康的新靶点，研究人员将目光投向了青鳉鱼的主要造血器官——肾髓。
研究人员围绕青鳉鱼免疫衰老这一核心主题，开展了一项多组学、多层次的研究，相关成果已发表在《自然-衰老》期刊上。为了全面表征青鳉鱼的免疫衰老，作者运用了单细胞RNA测序、成像流式细胞术、蛋白质组学（包括血浆和肾髓免疫细胞）以及体外功能测定等多种技术手段。他们采集了成年和老年雄性青鳉鱼肾髓细胞进行单细胞转录组分析，并同时对来自相同个体（5只成年和5只老年）的血浆和肾髓免疫细胞进行串联质量标签-质谱蛋白质组学分析。此外，还建立了基于机器学习的细胞分类方法和体外脂多糖刺激的功能测定，以评估衰老相关的功能变化。
研究结果
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血浆蛋白质组学揭示老年青鳉鱼炎症标志物增加
对成年和老年青鳉鱼血浆的蛋白质组学分析显示，老年鱼的蛋白质谱与成年鱼存在明显差异。基因本体富集分析表明，老年鱼血浆中蛋白酶解、凝血和细胞凋亡等过程相关的蛋白富集，特别是急性期蛋白、补体蛋白和凝血因子等炎症标志物的表达水平更高。这提示，在短短数周内，青鳉鱼就出现了与系统性衰老相关的炎症标志物增加。
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青鳉鱼主要造血器官的单细胞图谱
通过对青鳉鱼肾髓细胞进行单细胞RNA测序，研究人员构建了其免疫细胞图谱。他们鉴定出了包括中性粒细胞、单核/巨噬细胞、红细胞、B细胞、自然杀伤细胞、造血干细胞以及几个未定义的祖细胞样细胞在内的多种免疫细胞类型，表明青鳉鱼拥有脊椎动物先天性和适应性免疫的主要细胞类型。
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年轻与老年青鳉鱼肾髓中的细胞组成变化
利用成像流式细胞术，研究人员在肾髓细胞中识别出三个主要细胞群。分析发现，其中一个被推定为祖细胞的细胞群在老年鱼中的相对丰度显著增加，而其他两个细胞群没有显著变化。这表明，在青鳉鱼老化过程中，其造血生态位中的细胞组成发生了特定的转变。
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老年青鳉鱼免疫细胞增殖和DNA修复减少，但炎症增加
肾髓免疫细胞的蛋白质组学分析揭示了显著的年龄相关差异。与成年鱼相比，老年鱼细胞中参与细胞增殖、“DNA修复”、“细胞解毒”等过程的蛋白表达水平降低。相反，与免疫细胞激活相关的蛋白，如“白细胞介素-1β产生”、“对细菌来源分子的反应”等则呈现富集。这表明，老年青鳉鱼的免疫细胞处于增殖减少、修复能力下降，但炎症反应增强的状态。
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年轻成年青鳉鱼祖细胞群中DNA修复相关基因的表达
结合单细胞转录组数据，研究人员发现，蛋白质组学中富集的“DNA修复”相关基因，在包括未定义祖细胞在内的五个祖细胞样细胞群中特异性高表达。而“DNA复制”相关基因则在更广泛的细胞类型中表达。这表明，DNA修复在年轻青鳉鱼中并非仅与DNA复制偶联，在祖细胞中尤为活跃。
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老年青鳉鱼肾髓细胞中DNA损伤信号更高
为了直接验证DNA损伤的增加，研究人员使用γH2AX（一种DNA双链断裂的标志物）抗体对肾髓细胞进行了检测。流式成像分析显示，与成年鱼相比，老年鱼细胞中γH2AX阳性细胞的比例和信号强度均显著更高，表明基因组不稳定性随年龄增长而累积。进一步分析表明，这种DNA损伤信号的增加与细胞增殖状态（S/G2/M期细胞比例）无关，提示损伤积累可能源于复制非依赖性的过程或DNA修复能力下降。
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衰老相关的γH2AX信号定位于祖细胞群且不与端粒共定位
通过结合γH2AX染色和基于机器学习的细胞分类，研究人员发现，DNA损伤信号在老年鱼中特异性地在分类为祖细胞的细胞群中最强。此外，通过免疫荧光和端粒荧光原位杂交，他们发现γH2AX信号并不特异地定位于端粒区域，表明衰老相关的DNA损伤可能广泛分布于基因组中。
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老年与非老年成年青鳉鱼的免疫细胞对脂多糖刺激表现出不同的功能反应，且衰老标志物增加
在体外功能测定中，研究人员用脂多糖刺激从肾髓中分离的免疫细胞，并观察细胞聚集体的形成。结果发现，老年鱼细胞在高剂量脂多糖刺激下形成的聚集体数量少于成年鱼，表明其免疫应答能力发生改变。同时，衰老相关的β-半乳糖苷酶活性测定显示，老年鱼细胞具有更高的衰老信号，并且在祖细胞中尤为明显。有趣的是，用抗衰老药物非瑟汀预处理老年鱼细胞后，其脂多糖诱导的细胞聚集体数量恢复到与年轻细胞相当的水平，提示细胞衰老可能部分介导了衰老相关的免疫功能下降。
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比较青鳉鱼蛋白质组学和单细胞RNA测序数据的平台
为了方便多组学数据的比较和探索，研究人员开发了一个名为KIAMO的交互式网络工具。该工具整合了本研究的血浆蛋白质组、肾髓蛋白质组和单细胞转录组数据，允许用户可视化基因表达模式，并进行跨数据集和年龄组的比较，为研究界提供了宝贵的资源。
研究结论与讨论
本研究表明，在短短不到10周的时间内，短寿命脊椎动物青鳉鱼的免疫系统就经历了深刻的衰老相关转变。这些变化具有高度的进化保守性，涵盖了从系统性炎症（炎性衰老）到造血生态位功能失调的多个层面。具体而言，老年青鳉鱼表现出：1）血浆中促炎和急性期蛋白增加，抗炎蛋白减少；2）肾髓中祖细胞相对丰度改变，但整体增殖能力下降；3）免疫细胞（特别是祖细胞）中DNA损伤信号累积，而DNA修复能力相关蛋白表达下调；4）促炎通路激活增强；5）细胞衰老标志物增加；6）体外免疫刺激反应减弱。这些发现与在哺乳动物中观察到的免疫衰老特征高度相似。
该研究的重要意义在于，它首次在非哺乳类脊椎动物中系统地描绘了自发免疫衰老的多组学图谱，并揭示了其核心特征——炎症增加与基因组不稳定性——在进化上的保守性。特别值得注意的是，研究发现祖细胞是衰老过程中DNA损伤和衰老信号累积的主要“热点”，这挑战了祖细胞在生命周期中始终受到基因完整性严格保护的观念。此外，研究还揭示了衰老相关的DNA损伤可能与细胞增殖状态无关，提示了复制非依赖性损伤积累和/或修复机制失效的可能。该工作不仅深化了我们对免疫衰老基本机制的理解，也凸显了青鳉鱼作为一种强大模型在研究脊椎动物衰老，特别是快速发生的免疫衰老方面的独特价值。由于这些衰老过程的保守性和发生速度，青鳉鱼模型有望加速发现靶向免疫系统、旨在延缓衰老或改善老年免疫健康的干预措施。
