大脑衰老是人类认知能力下降、阿尔茨海默病等神经退行性疾病发生发展的核心危险因素。长期研究发现表观遗传修饰和基因组三维结构改变是衰老的重要标志，但由于大脑细胞组成高度异质性，不同细胞类型中衰老相关表观调控和三维基因组的协同变化规律，一直缺乏高分辨率解析。

2026年3月11日，美国索尔克生物研究所（Salk Institute）的Joseph Ecker研究团队（曾秋瑞为第一作者）在Cell在线发表题为“Cell-type-specific transposon demethylation and TAD remodeling in aging mouse brain”的研究论文，首次在单细胞多组学层面系统揭示：衰老小鼠大脑中，不同细胞类型存在高度特异性的转座子去甲基化，这一事件会进一步驱动拓扑关联结构域（TAD）重塑，异常激活衰老相关基因表达，推动大脑功能衰退，为大脑衰老机制研究和干预提供了全新方向。

研究背景

转座子是占哺乳动物基因组近一半的可移动DNA元件，正常生理状态下，转座子被DNA甲基化修饰沉默，维持基因组稳定和基因表达正常；当甲基化丢失，沉默的转座子被激活，不仅可能插入到基因组关键位点破坏基因功能，还会作为调控元件影响邻近基因表达。而TAD作为基因组三维折叠的基本单元，通过隔离不同区域的调控元件保证基因表达精准性，TAD结构紊乱是多种疾病的重要原因。

过往研究只发现整体基因组甲基化水平随衰老下降，也观测到转座子激活，但不清楚不同细胞类型中哪些转座子会特异性去甲基化，更不知道转座子甲基化变化和三维基因组TAD结构重塑之间存在怎样的关联，这项研究正是围绕这两个核心问题展开。

研究过程

研究人员改进并采用了先进的单核甲基组测序技术snmC-seq3，以实现C57BL/6雄性小鼠八个脑区全基因组5-甲基胞嘧啶（5mC）的碱基分辨率分析（图1A）。这些主要区域包括前海马体（AHC）、后海马体（PHC）、额叶皮层（FC）、杏仁核（AMY）、伏隔核（NACB）、中脑导水管周围灰质/桥脑中央灰质（PAG/PCG）、内嗅皮层（ENT）和尾状壳核（CP）（图1B）（脑解剖细节；见表S1），是在和18个月龄的雄性小鼠身上仔细解剖的（图1A）。在这项研究中，我们使用2个月大的小鼠作为年轻的基线，这与多个脑图谱项目和之前的衰老研究一致。使用snm3C-seq43同时评估雌性小鼠同一区域同一脑细胞中的DNA甲基和染色质构象（图1A）。这种方法整合了各种细胞类型和年龄的3D基因组背景，丰富了对细胞随时间变化的理解。

重点研究了36种主要细胞类型，每种类型在两个数据集中的每个年龄组都有100多个细胞，确保了下游分析的充分覆盖（图1C）。与之前的观察结果一致，全球甲基化水平在细胞类型之间存在很大差异（图S1F和S1G）。细胞类型在其细胞类型特异性标记基因中显示mCH低甲基化（图S2A）。在单个细胞类型中，不同年龄的细胞核显示出良好的排列（图S2B），排列得分42为0.98±0.02（图S2C；STAR方法）。

这些数据包括使用测序（snATAC-seq）对转座酶可及染色质进行单核分析，以及从我们数据中使用的相同解剖样本生成的10×多组数据（表S2）。研究人员采用了之前修改过的Seurat框架36来整合这些数据集（STAR方法），这些数据集有效地匹配了神经元空间分布（图1D）、簇（图S2D）和细胞类型（图S2E）。这种整合产生了跨五种分子模式的细胞类型特异性伪体谱：mCH/mCG分数、染色质构象、染色质可及性和基因表达。

研究人员设计了一个500个基因组（表S5），包括233个细胞类型标记，以及基于差异甲基化分析、阿尔茨海默病关联、衰老相关分泌表型（SASP）标记、免疫细胞身份等选择的267个衰老相关基因。（STAR方法）。研究人员对2、9和18个月大的小鼠的七个冠状切片进行了分析。这些切片共享的snmC和snm3C数据集中包含的大脑区域（图S3A）。经过质量控制（图S3B；STAR方法）后，获得了895296个MERFISH细胞，并通过与全脑单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集的整合分配了细胞类型（图S3C-S3F；表S6；STAR方法）。

3C热图显示更高的接触频率，表明增强子-启动子相互作用增加（图1F）。MERFISH空间分析进一步揭示了Il33的上调主要集中在白质和皮层下区域（图1G）。通过整合单细胞甲基化、染色质构象和空间转录组学，研究构建了一个跨区域和细胞类型的衰老小鼠大脑的多模态图谱。该资源支持详细的分析，并产生独特的生物学见解，如以下部分所述。

研究发现，在衰老过程中，全基因组平均甲基化在细胞类型（图S4A和S4B）、重复（图S4C和S4D）和性别之间基本保持稳定，这与之前的研究一致。46比较18个月龄和2个月龄的小鼠，我们只观察到微微微的全局mCG变化，雄性mCG分数变化0.008±0.005，雌性移动0.006±0.006（图S4B）。尽管总体上是稳定的，但我们在细胞类型分辨率上发现了与年龄相关的差异甲基化基因（DMG）和DMR。一些2至9个月的甲基化和染色质变化可能包括发育成熟后期的贡献，因为2个月大的小鼠尚未完全成熟。由于报告的年龄差异信号从2个月到18个月单调进行，因此这些信号仍然反映了与衰老相关的渐进过程，但应该承认这一发育成分。

对于DMG分析，我们将10×Multiome数据中通过QC的所有基因分为三组：（1）DMG，不考虑差异表达基因（DEG）状态；（2）DMG也是DEG（DMG和DEG）；以及（3）仅DEGs（DEGs而非DMGs）（STAR方法）。基因体mCH和mCG的改变与大多数细胞类型的mRNA表达呈强负相关，尤其是DMG和DEG（图S5A和S5B）。

DMR可作为顺式调节元件的预测因子，低甲基化通常表明调节状态活跃。我们在不同年龄组的每种主要细胞类型中分别在男性和女性中确定了年龄DMR，并将其分为三类：女性特异性、男性特异性和性别共享（STAR方法）。平均而言，我们在主要细胞类型中鉴定出8284±13894个性别共享的DMR、9498±12515个男性特异性DMR和7325±3155个女性特异性DMRs（图S6A）。男性特异性DMR在男性中表现出比女性大得多的mCG变化，而女性特异性DMRs在女性中表现出相应的比男性大的mCG改变（图S6B和S6C）。相比之下，性别共享的DMR在两性中显示出可比且显著的mCG变化（图S6B和S6C），所有细胞类型的雄性和雌性之间的mCG分数变化高度相关（PCC:0.77±0.09）（图S6D）。

研究发现，与神经元相比，非神经元中的DMR数量更多，年龄更长，与细胞数量无关（图2A和S6E）。其中，少突胶质祖细胞（OPCs）显示出最丰富的甲基化变化。这些发现与之前关于与年龄相关的转录组改变的观察结果一致，表明非神经元细胞在衰老过程中受到的影响更大。将随着年龄的增长而逐渐失去甲基化的DMR定义为年龄低DMR（2>9>18个月），而那些持续获得甲基化的是年龄高DMR（2<9<18个月）。与非神经元细胞相比，神经元表现出更高的基因内年龄DMR比例，这种模式在年龄低和年龄高的DMR类别中是一致的（图S6F）。值得注意的是，88%的谷氨酸能兴奋性神经元表现出更高比例的年龄低DMR（图2C）。在大多数细胞类型中（图S6G和S6H），年龄低和年龄高的DMR都与不同年龄段的染色质可及性状态呈强负相关（FDR<0.001）。

值得注意的是，核呼吸因子（NRF）家族基序在女性年龄的高DMR中显著富集，特别是在皮质细胞类型中（图S7D），这种模式在性别共享或男性特异性DMR中不存在。NRF1调节线粒体功能和能量代谢，在认知能力下降之前显著降低。先前的研究表明，在氧化应激下，小脑颗粒神经元中NRF1驱动的线粒体生物合成存在女性特异性缺陷。研究结果表明，女性特异性NRF高甲基化可能导致与年龄相关的皮质脆弱性。

研究观察到3.7%的年龄低热点和54.9%的年龄高热点与基因重叠，这些基因随后被称为“热点基因”。有趣的是，年龄低热点基因在GTP酶相关过程中显著富集，表明关键的神经元功能，包括突触可塑性60和自噬61（图S7I），可能受到了影响。

DG Glut最清楚地体现了这种与年龄相关的模式，其特征是老年神经元中低甲基化LINE区域的比例增加（图3B），年龄之间的对齐得分最低42（图3C）。令人惊讶的是，当DG Glut细胞单独聚集时，年龄相关的分离仅出现在AHC细胞中（图S8B）

研究了TE激活的潜在有害后果。先前的研究表明，TE去表达导致细胞质DNA19或逆转录病毒样颗粒水平升高，通过干扰素基因的环GMP-AMP合酶刺激物（cGAS STING）途径引发炎症。研究分析揭示了先天免疫相关基因的显著上调（图S9F）。值得注意的是，小胶质细胞（大脑的主要免疫细胞）表现出关键先天免疫反应基因的显著上调，包括Nfkb1、Stat1和Il1866,67,68（图S9G）。

这项单细胞多组学数据揭示了小鼠大脑表观遗传衰老的基本方面，突出了非神经元群体的脆弱性、细胞类型特异性TE去表达和TAD边界强度的增加。这些发现强调了衰老是一种特定于细胞类型和区域的过程。

转录组学和甲基组学数据均表明，神经胶质细胞在衰老过程中特别敏感。2基序分析显示AP-1活化，与造血干细胞、肾和肝的报告一致，表明AP-1在衰老中起着保守作用，这可能会破坏细胞同一性。值得注意的是，OPC中Sox基序甲基化的增加表明了一种可能损害OPC分化和髓鞘完整性的机制。

具体来说，增强子mCG对年龄增长的DEGs尤为重要，而基因-身体年龄DMR和平均mCG与年龄下降的调节更相关。3C环特征在神经元中更具信息性，可能反映了它们的短程环组织。此外，染色质可及性主要导致基因上调，表明年龄上调的基因需要染色质开放，而下调的基因可能已经存在于组成型开放的染色质区域，并通过替代机制进行调节。

总之，研究提出了一个全面的衰老小鼠大脑单细胞多组学图谱。结合可解释的建模，这些数据为机制研究、靶向治疗策略奠定了基础，并实现了人类大脑衰老的跨物种“虚拟”模型。

整体调控机制可总结为：

衰老过程中→神经元优先发生LINE-1转座子特异性去甲基化→去甲基化转座子染色质开放，一方面直接激活邻近衰老/炎症基因，另一方面招募CTCF重塑TAD三维结构→异常增强衰老相关基因表达→最终推动大脑功能衰退。

结     语

这项研究首次在细胞类型分辨率整合了甲基化组、染色质开放组和三维基因组多层面数据，揭开了大脑衰老过程中转座子表观调控和三维基因组协同变化的新机制，不仅填补了大脑衰老表观遗传学领域的关键空白，也为衰老相关神经退行性疾病的早期诊断提供了新的分子标志物，同时转座子去甲基化和TAD重塑这一通路，也成为未来延缓大脑衰老、干预神经疾病的全新潜在靶点。

参考文献

1：Cell-type-specific transposon demethylation and TAD remodeling in aging mouse brain

免责声明：本文旨在科普相关知识，不作为医疗指导意见

编辑｜Zhang.ZG

审核｜Geng.ZG