CELL：“见微知著”单细胞水平揭示衰老过程中组蛋白修饰变化

编者按：

真核生物的DNA缠绕在组蛋白八聚体上，而游离出来的组蛋白末端常会上发生的多种化学修饰，这些修饰会改变染色质结构、招募不同的识别蛋白而调控基因表达。目前生物学的研究逐渐进入单细胞水平，单细胞核酸测序技术目前已经相对比较成熟，研究也比较多。然而由于技术瓶颈的原因，单细胞水平研究蛋白还没有比较大的突破。

近日，美国Stanford大学的研究人员在著名学术期刊CELL上发表论文，利用cytometry质谱实现单细胞的水平对蛋白的检测。研究人员对来源于人体的22中主要免疫细胞中，组蛋白上30余位点上的8种修饰进行检测。结果发现，组蛋白上位点特异性修饰可以用于免疫细胞的区分；衰老过程中免疫细胞组蛋白修饰差异增大，而这又是主要受环境因素而非遗传因素所决定（利用源自双胞胎的样本分析）。

在“唯基因论”的现在社会，本文具有特别重大的意义： 提示我们，表观遗传学特别是组蛋白修饰，其在细胞分化、免疫反应、衰老、细胞身份鉴定中扮演重要的角色。研究中利用景杰公司开发的组蛋白巴豆酰化（Kcro）抗体， 发现在老年人的记忆T细胞中，组蛋白Kcro修饰降低，提示我们Kcro除了在生殖发育中具有重要的调控作用外，在细胞免疫中可能也扮演着重要的角色。

关键词：单细胞、免疫、巴豆酰化、T细胞、双胞胎、cytometry、组蛋白修饰

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研究思路

这里研究人员分析单细胞中蛋白的技术为质谱流式细胞仪（Mass Cytometry）：顾名思义结合流式细胞仪的细胞分选、质谱的分离检测的技术。它继承了传统流式细胞仪的高速分析的特点，又具有质谱检测的高分辨能力。

首先不同的抗体用稀土元素标记后，利用这些抗体对流式细胞仪中分选出的单细胞进行标记；混样后进入ICP/MS；分析最后的稀土元素来间接分析单细胞中的蛋白。其本质还是基于抗体的检测，结果非常依赖抗体的特异性和灵敏度【1】。

图1 用于检测单个细胞中蛋白的cytometry及其流程图

2

研究速读

1. 健康人单个免疫细胞的表观遗传学特征

作者选取了组蛋白上经典修饰：乙酰化、磷酸化、泛素化等，同时还有新发现的组蛋白巴豆酰化修饰Kcro。结果发现髓系单核细胞比淋系免疫细胞（B、T细胞）大部分组蛋白修饰水平更高（H3K36me1、H4K16ac），但是后者H3K27me3的修饰水平高。

图2 免疫细胞的组蛋白修饰水平

二.用组蛋白修饰区分免疫细胞的类型

研究者将组蛋白修饰平均分成两个panel，用主成分分析（PCA），结果见图4A， 不同类型的免疫细胞被很好地区分开了，而同类细胞聚在一起。其中骨髓来源的单核细胞与淋系免疫细胞区别很大。

 图3 组蛋白修饰可以用于区分免疫细胞类型

三.衰老过程中组蛋白修饰差异增大

已知老人体内造血输出减少，免疫细胞功能受损，记忆T细胞增多。年轻人组蛋白修饰的个体间差异更小，而老年人的组蛋白修饰个体间差异很大（图6B）。但两者的组蛋白H3和H4的水平并无明显区别，主要是修饰的区别。老年人免疫细胞大部分组蛋白修饰水平都均高于年轻人，但中央记忆 T细胞是个例外（Kcro巴豆酰化在水平低于年轻人）。

图4不同类型免疫细胞在不同年龄人群中的组蛋白修饰水平

四.环境因素导致衰老细胞组蛋白修饰差异增大

为了研究衰老后的组蛋白修饰谱变化的主导是否是遗传因素。 研究者比较同卵双胞胎（基因组100%相同）和异卵双胞胎（基因组50%相同）组蛋白修饰和年龄间的差异。结果发现年老的双胞胎也有更高的组蛋白修饰的异质性，并且中央记忆细胞的组蛋白修饰水平在衰老后下降。遗传因素只能解释30%的差异，而非遗传因素可以解释70%。尽管同卵双胞胎基因组相同相同，大部分组蛋白修饰（80%）都是只在年轻的双胞胎中相似，而年老后异质性增加。这进一步说明了衰老后的染色质修饰异质性增加主要由非遗传因素影响。

图5 导致衰老细胞组蛋白修饰差异增大的主要原因是环境而非遗传因素

3小结

本文利用基于流式细胞仪-质谱cytometry的方法，使得在单细胞水平多通道分析蛋白成为可能。证明了组蛋白修饰谱可以用于预测细胞身份，支持了学界长久以来的认识。同时发现在衰老过程中，个体间与细胞间的组蛋白修饰的异质性的增加，而这又是主要受环境因素（非遗传因素）影响。同时一些新型组蛋白修饰，如蛋白质巴豆酰化在免疫反应，细胞分化中的差异被揭示，其生物学意义还有待去开发。

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参考文献：

1.Sean Bendall, et al., 2012, A Deep Profiler's Guide to Cytometry, Trends in Immunology, 7,323-332.

2.Peggie Cheung, et al., 2018, Single-Cell Chromatin Modification Profiling Reveals Increased Epigenetic Variations with Aging, Cell, 173, 1385-1397.

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