Y染色体缺失与免疫细胞轨迹改变及X染色体失活特征相关

《Aging Cell》：Loss of Chromosome Y Associates With Altered Immune Cell Trajectories and X-Inactivation Features

　　

在老年男性中，白细胞Y染色体（Chromosome Y, LOY）缺失是克隆嵌合现象最常见的形式。既往研究提供了LOY对免疫系统影响的多方面证据，并将LOY与心血管疾病和癌症等主要死亡原因的风险升高联系起来。尽管存在这些关联，但LOY在免疫细胞群体发育轨迹中的动态效应仍不清楚。研究人员利用来自OneK1K队列416名男性供者（中位年龄=68岁）的外周血单个核细胞（Peripheral Blood Mononuclear Cells, PBMCs）的单细胞RNA测序（Single-Cell RNA-Sequencing, scRNA-seq）数据。在45,304个细胞（8.76%）中检测到LOY，并在分化轨迹上显示出对免疫细胞的细胞类型特异性效应。最高频率出现在单核细胞中（经典单核细胞为18.6%，非经典单核细胞为17.1%），其沿着从22.6%到15.8%的过渡轨迹呈进行性下降（padj=2.00×10?11），并且非经典标志物LYPD2和C1QA的表达逐渐降低。LOY与经典单核细胞中促纤维化特征相关，其特征是IL1B（log FC=?0.22，pfdr=2.84×10?6）和MYC调控基因（log FC=?0.25，pfdr=2.22×10?5）的下调，这与之前观察一致，即在心脏和肺损伤中，LOY相关的巨噬细胞偏向于纤维化而非炎症表型。值得注意的是，研究人员检测到XIST的异常表达，XIST是X染色体失活必需的lncRNA，通常不在男性中表达；同时检测到已知可逃逸X染色体失活的基因上调，包括男性偏好的癌症相关基因KDM6A、DDX3X、KDM5C和ZRSR2。研究结果表明LOY与细胞类型特异性转录变化之间存在关联，包括异常的X染色体失活特征。

论文解读：Y染色体缺失对免疫细胞命运与功能的系统性影响

一、 研究背景、问题与目的

人类造血是一个高效但依赖于年龄的生成血液和免疫细胞的过程。这一过程受到体细胞点突变和/或大型染色体改变获得的影响，这些突变可提供选择性生长优势并驱动血液中的克隆扩增。其中，男性外周血中Y染色体缺失是普遍性最高的事件，超过一半的男性在80岁时受到影响。尽管Y染色体是决定雄性性别的关键染色体，但大量人群研究表明其在血液系统恶性肿瘤、实体癌、阿尔茨海默病和心血管疾病等非恶性疾病的进展中具有更广泛的作用。这些疾病关联的一个共同特征是LOY对免疫系统的影响，无论是在群体层面还是在特定疾病背景下。例如，LOY与日本生物样本库队列中白细胞增加有关，更具体地说，与英国生物样本库队列中的中性粒细胞和单核细胞增加有关。此外，LOY已被证明可改变免疫细胞命运，例如，在CD4⁺T细胞群中偏向调节性T细胞（Regulatory T Cells, Treg）命运，并促进单核细胞来源的心脏和肺泡巨噬细胞偏向纤维化而非炎症表型。全基因组关联研究已揭示了健康个体中LOY的遗传风险因素，而单细胞RNA测序技术使得探索GWAS鉴定标志物的细胞类型特异性表达成为可能。然而，LOY跨主要免疫细胞类型及其谱系发育轨迹的流行情况，以及影响免疫细胞命运、可作为年龄相关疾病潜在治疗和诊断靶点的常染色体和X连锁基因关联，仍有待系统阐明。本研究旨在利用OneK1K队列数据，表征LOY在主要免疫细胞类型及其谱系发育轨迹中的流行情况，并鉴定与LOY相关的、影响免疫细胞命运的常染色体和X连锁基因。

二、 关键技术方法

本研究基于OneK1K队列（Yazar et al. 2022）的416名男性（年龄19-93岁，中位年龄68岁）数据展开。研究采用两种独立技术：对外周血单个核细胞进行单细胞RNA测序，以及对全血DNA进行SNP阵列分型以识别LOY。具体而言，对于scRNA-seq数据，研究人员遵循已发表的方法，如果通过Cell Ranger和Velocyto两种方法均未检测到分配到Y染色体雄性特异性区域（Male-Specific Region, MSY）的读数，则将该细胞归类为LOY。从总共517,412个细胞中，在416名男性供者中鉴定出45,304个LOY细胞（8.76%）。对于SNP阵列数据，使用分型基因型分段方法（MoChA）在白细胞中识别LOY。为了分析LOY对不同细胞类型的影响，研究人员将细胞分为B细胞、单核细胞、NK细胞、CD4⁺T细胞和CD8⁺T细胞五大类，并使用Seurat等工具进行聚类、注释和差异基因表达分析。为了探究LOY对细胞命运的动态影响，研究人员通过PHATE降维和Slingshot算法构建了单核细胞、B细胞、NK细胞、CD8⁺T细胞和Treg细胞的发育轨迹，并按伪时间（Pseudotime）将细胞分为六个等分量位进行分析。差异基因表达分析使用MAST算法，并辅以基于比例的伪批量（Proportion-Expressing Pseudobulk）方法进行敏感性验证。此外，还进行了基因富集分析和动态效应模型分析，以揭示LOY相关的生物学通路和基因表达变化规律。

三、 研究结果

2.1 LOY在不同免疫细胞类型中的流行率

LOY在scRNA-seq中的细胞水平流行率与年龄显著相关（β=0.013；p=8.35×10^?14）。在个体水平，LOY细胞流行率范围在1%到54%之间。通过SNP阵列在26.4%的男性白细胞中检测到LOY。研究发现，源自PBMCs的scRNA-seq所检测的LOY与SNP阵列检测的克隆分数呈弱线性相关（r=0.34；p=2.48×10^?4），表明SNP阵列可能漏检了那些在无粒细胞（Agranulocyte）区室中高比例存在的LOY事件，突出了scRNA-seq在评估LOY方面的优势。在主要免疫细胞类型中，经典单核细胞（Mono-c）的LOY频率最高（18.6%），其次是NK细胞、Treg细胞和非经典单核细胞（Mono-nc）。不同细胞类型的LOY流行率存在显著差异，且SNP阵列估计的克隆分数与scRNA-seq估计的分数在单核细胞亚类中相关性最强，在T细胞亚型中则无相关性，表明SNP阵列的LOY检测偏向于代表免疫细胞的髓系区室。

2.2 LOY对免疫细胞命运的影响

研究人员评估了LOY频率与细胞分类（通过标志物定义的亚型和细胞在发育轨迹上的位置）的关系。结果证实了LOY细胞在Treg细胞中富集（12.57%），而其他CD4⁺T细胞中LOY比例为5.8%。在Treg发育轨迹上，LOY与细胞沿发育轨迹的定位呈显著正相关（OR=1.04，p_adj=8.89×10^?8）。CD8⁺T细胞在其分化轨迹上，LOY细胞比例逐渐增加（从CD8nc的13.7%到CD8et的15.8%）。相反，NK细胞、单核细胞和B细胞在其发育轨迹上，LOY细胞比例呈逐渐下降趋势。在单核细胞从经典向非经典过渡的轨迹上，LOY频率从第一分位数的22.6%持续下降到第六分位数的15.8%（OR=0.91，p_adj=2.00×10^?11）。在B细胞从幼稚/未成熟B细胞（B-in）向记忆B细胞（B-mem）的过渡轨迹上，LOY也呈逐渐下降趋势。值得注意的是，包含rs2887399（TCL1A附近的SNP）作为协变量后，LOY与B细胞亚型之间的关联消失，表明该遗传变异是关键影响因素。

2.3 差异基因表达

基因编码细胞表面免疫蛋白：研究证实了LOY细胞中表面蛋白CD99（位于假常染色体区域1，PAR1）的下调，但在细胞毒性T淋巴细胞（CTL）中观察到相反趋势。还观察到其他非PAR细胞表面标志物的下调，如位于1号染色体的CD48（在所有CD4⁺T细胞亚型中）和位于X染色体非PAR区的CD40LG（在Treg和CD4et细胞中）。

位于X染色体的基因：研究观察到XIST（X染色体失活必需的长链非编码RNA）在LOY细胞中普遍过表达，其表达呈双峰分布。在逃逸X染色体失活（XCI）的99个非PAR基因中，有26个基因在至少一种细胞类型中显示出显著的差异表达，其中大多数（23/26）显著上调。这包括已知的男性偏好癌症相关基因KDM6A、DDX3X、KDM5C和ZRSR2。排除表达XIST的细胞后，这一趋势依然存在。相反，失活基因中上调与下调的基因分布相对均衡。PAR区的X连锁基因则主要显示下调。与老年女性相比，这些逃逸基因的上调是LOY特有的，而非一般的衰老效应。来自癌症细胞系百科全书的数据也支持LOY细胞系对一组逃逸XCI基因（RPS4X、DDX3X、ZFX、EIF1AX）的高度依赖性。

2.4 LOY对细胞的动态效应

对单核细胞轨迹的分析表明，LOY降低了非经典单核细胞标志物LYPD2和C1QA的表达，并增加了经典单核细胞标志物RNASE2的表达。基因富集分析显示，在经典单核细胞中，下调基因显著富集于MYC转录因子靶标通路。促炎细胞因子IL1B在LOY的经典单核细胞中显著下调，这与之前观察到的LOY相关巨噬细胞偏向纤维化表型一致。此外，抗原呈递相关基因（如CD86、HLA-DRA等）也下调，表明LOY单核细胞可能表现出抗原呈递能力受损和向免疫抑制或促纤维化状态转变。在NK细胞中，LOY与NK细胞激活标志物XCL1的减少相关，下调基因富集于血红素代谢和脂肪生成标志物通路。在Treg发育轨迹上，FOXP3和RTKN与LOY呈最显著正相关。Treg中下调基因富集于血红素代谢和炎症反应通路，而上调基因则富集于凋亡、p53信号和TNFα/NF-κB信号通路。在B细胞中，LOY最显著的影响是HLA-A的下调。

四、 讨论与结论

总结而言，本研究发现LOY在免疫细胞发育轨迹中存在谱系特异性偏向。LOY在经典单核细胞中流行率高，导致表达谱指向向纤维化（而非炎症性）巨噬细胞转变。LOY在B细胞中偏向于TCL1A⁺CD27^?的幼稚/未成熟B细胞，这为先前发现的TCL1A在LOY B细胞中过表达提供了表型解释。遗传变异rs2887399和rs10849448的关联也通过影响TCL1A和CD27的表达与LOY的细胞表型相关联。重要的是，研究首次报告了LOY与逃逸X染色体失活基因上调以及XIST异常表达相关的独特模式，这可能是细胞应对LOY的补偿机制。这些结果表明LOY与免疫细胞命运存在广泛关联：（i）在髓系区室，LOY与经典单核细胞向促纤维化表型转变相关；（ii）在淋巴区室，LOY减弱NK细胞的激活和B细胞向记忆B细胞的转化，同时使T细胞偏向Treg；（iii）LOY与XCI逃逸基因和XCI调节因子XIST的异常表达相关。这些见解将LOY定位为细胞类型特异性免疫扰动的强相关因素，为理解年龄相关的基因组不稳定性如何影响克隆造血中的免疫功能障碍和疾病风险提供了一个引人注目的新框架，为靶向诊断和治疗干预开辟了有前景的途径。