单细胞转录组分析揭示了内皮细胞在衰老过程中的分子变化

《Archives of Gerontology and Geriatrics》：Single-cell transcriptomic analysis reveals the molecular alterations of endothelial cells during ageing

　　衰老导致血管内皮细胞功能改变，通过单细胞转录组测序分析年轻与老年小鼠主动脉内皮细胞，发现282个下调基因主要富集于正常生理通路及应激反应通路，AP-1和Egr1转录因子可能参与血管老化机制。

　　

孙永乐|戴一妮|尹业虎

中国吉首大学医学院，吉首

摘要

血管老化是心血管疾病发展的根本原因。内皮细胞在心血管系统老化过程中起着重要作用，但血管老化的潜在机制以及内皮细胞在老化过程中的分子变化仍不清楚。在这里，我们使用单细胞转录组分析方法研究了年轻和老化主动脉中内皮细胞的细胞和分子变化。我们发现了191个上调基因和282个下调基因。研究发现，大多数下调基因主要富集在正常的生物途径和一些应激反应途径中。蛋白质-蛋白质相互作用和转录因子分析表明，AP-1和Egr1可能是与血管老化相关的关键转录因子。我们提出，老化是由于正常功能基因逐渐丧失所致。我们的研究为进一步理解老化机制提供了新的思路。

引言

心血管疾病，如中风、冠状动脉疾病和心力衰竭，是全球老年人最常见的死亡原因（Hsu等人，2021年）。血管老化在心血管疾病的发展中起着重要的致病作用（Donato等人，2018年）。血管老化指的是随着年龄增长而发生的血管结构和功能的变化，包括壁厚增加、弹性降低、动脉钙化和内皮功能障碍（Costantino等人，2016年）。与年龄相关的动脉变化被认为是临床心血管疾病发展的前兆，因为即使在没有临床和传统心血管疾病风险因素的情况下，也存在与年龄相关的动脉功能障碍（Lakatta和Levy，2003年；Lakatta等人，2009年）。血管壁主要由内皮细胞（ECs）、血管平滑肌细胞、外膜成纤维细胞和结构性的细胞外基质成分组成（Sawabe，2010年）。内皮结构和功能的改变与心血管系统的老化密切相关（van Bussel等人，2011年）。

内皮细胞位于血管的内表面，直接与血液成分接触，形成血液与组织之间的屏障。内皮细胞持续暴露于生物力学和生化应激因素中，在感知血流动力学变化和维持血管生理平衡方面起着关键作用（Donato等人，2015年）。它们通过合成和释放内皮来源的舒张因子和收缩因子来控制血管的舒张和收缩程度（Vanhoutte等人，2017年）。此外，内皮细胞在控制血液流动性、血小板粘附和聚集以及调节免疫反应、炎症和血管生成方面也起着重要作用（Krüger-Genge等人，2019年）。多项研究表明，内皮依赖的血管舒张能力随年龄增长而逐渐下降，这种现象与血管通透性增加、炎症和血管生成受损有关（Kovacic等人，2011年）。内皮细胞功能障碍被认为是血管结构和功能变化的第一步，包括细胞外基质重塑、血管硬化和血管收缩障碍（Pacinella等人，2022年）。尽管内皮细胞在血管中的重要性已得到认可，但血管老化的潜在机制以及内皮细胞在老化过程中的分子变化仍不甚清楚。随着老年人口的增长，阐明内皮细胞在老化过程中的细胞和分子变化对于制定适当的策略以降低心血管疾病风险至关重要。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）是一种强大的研究工具，可以在单细胞水平上系统地表征转录组特征和细胞异质性（Rafi等人，2025年）。它已被用于研究不同组织和器官的细胞成分和分子特性（Gulati等人，2025年）。最近，利用无偏见的scRNA-seq，研究揭示了正常和病变组织中血管细胞的广泛转录和功能异质性（W?lchli等人，2024年；Zhao等人，2021年）。此外，多项scRNA-seq研究还分析了病理状态下内皮细胞的转录组变化（Kalluri等人，2019年；Yu等人，2025年）。为了研究内皮细胞在血管老化中的病理生理作用，我们利用已发表的scRNA-seq数据集分析了年轻和老化主动脉中内皮细胞的细胞和分子变化。我们的工作确定了两个关键转录因子以及与血管老化相关的多个基因。我们提出了一种新的理论，即老化是由于正常功能基因逐渐丧失所致，这为进一步理解老化机制提供了新的思路。

数据获取和预处理

我们从NCBI GEO数据存储库下载了一个关于年轻（8周）和老年（18个月）小鼠主动脉内皮细胞的已发表scRNA-seq数据集（GEO访问号GSE116718）。用于单细胞RNA测序的两种小鼠（年轻和老年）均为UCLA内部繁殖设施提供的野生型C57BL6/J小鼠，且均为雄性动物，以减少性别对基因表达的影响。本研究使用了10X Genomics Single Cell 3′ v2软件进行单细胞测序。

scRNA-seq数据概览

内皮细胞在心血管系统老化过程中起着重要作用。为了研究血管老化过程中内皮结构和功能的改变，我们分析了一个关于年轻（8周）和老年（18个月）小鼠主动脉内皮细胞的已发表scRNA-seq数据集。在进行后续分析之前，我们对每个样本进行了质量控制，并根据Seurat的质量控制指标过滤掉了一些低质量细胞。数据预处理和降维后，我们进行了无监督学习。

讨论

在这项研究中，我们利用已发表的scRNA-seq数据集分析了年轻和老化小鼠内皮细胞的细胞和分子变化。我们发现了191个上调基因和282个下调基因。在老年组中发现的上调基因主要与适应性免疫反应和MHC II类蛋白复合体组装相关。慢性低度炎症是老化过程的标志（Franceschi等人，2000年）。慢性血管炎症有很多原因，

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在GEO数据库中找到，网址为[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/，参考编号为[GSE116718]。如有进一步咨询，请联系相应作者。

资助

本研究得到了湖南省自然科学基金联合项目（编号：2025JJ70611）的支持。

CRediT作者贡献声明

孙永乐：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据分析、数据管理。戴一妮：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据分析、数据管理。尹业虎：审稿与编辑、项目监督、资金争取、概念构思。