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衰老并非千篇一律!Science揭示基因、代谢与环境共同塑造衰老轨迹

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衰老是一个复杂且高度异质性的生物学过程。近年来,转录组、代谢组等多组学技术能够从分子层面刻画人体状态,但目前大量研究仍以横断面数据为主,即比较不同年龄人群在某一时间点的分子差异。

这种研究设计能够发现与年龄相关的分子特征,却难以回答一个关键问题:同一个人的分子状态究竟如何随时间发生变化?

2026年9月3日,来自伦敦国王学院双生子研究与遗传流行病学系的研究团队在Science杂志发表题为“Longitudinal dynamics of gene expression and metabolomics in an aging population cohort”的研究论文。

该研究发现分子衰老是一个动态的、受环境因素影响的、且具有高度个体差异性的过程。通过纵向的多组学分析,研究人员还发现在整个人群中都存在的分子变化,同时也观察到了不同个体之间的差异。

此外,该研究还揭示了细胞类型组成、宿主遗传因素、生物节律、环境因素以及不同组学数据之间的关联对分子衰老的影响。



研究人员首先建立了MultiMuTHER纵向多组学数据集。335名双胞胎女性年龄为32~80岁,中位年龄61岁,每名受试者至少接受3次临床随访,首次至末次随访的中位间隔约6年。研究发现,5061个基因和181个代谢物的水平在随时间推移过程中发生显著变化。更值得注意的是,这些变化并非简单遵循群体平均趋势:部分个体的分子变化方向甚至与总体人群趋势相反,提示人类衰老具有显著的个体化轨迹。这一结果说明,仅依靠不同年龄人群之间的横断面比较,可能会掩盖真正的个体衰老轨迹。“平均意义上的衰老”并不一定等同于每个人真实经历的衰老过程。



进一步分析发现,随着年龄增长而发生变化的基因并不是在所有血细胞中均一变化,而表现出明显的细胞类型特异性。尤其值得注意的是,适应性免疫系统和先天免疫系统呈现出不同的纵向转录变化模式。纵向变化基因进一步富集于与衰老相关的生物学过程,包括心血管代谢疾病和神经退行性疾病等相关通路。

由于TwinsUK队列包含单卵双生子和异卵双生子,研究者进一步利用这一特点分析遗传因素对纵向多组学变化的影响。研究发现,128个基因和2个代谢物表现出基因型特异性的纵向变化,说明遗传背景不仅影响某一时间点的分子水平,也可能影响分子状态随时间变化的速度和方向。简单来说,遗传因素可能参与塑造一个人的“分子衰老轨迹”,这也为理解为什么不同个体具有不同衰老速度提供了重要线索。

研究还发现,多组学数据具有非常明显的时间环境依赖性。约 25%的基因和24%的代谢物与季节性变化相关;与此同时,约 26%的基因和39%的代谢物与昼夜节律变化相关。这一发现具有重要的方法学意义:如果忽略采血时间、季节等因素,研究者可能将正常的生物节律误认为年龄相关变化。因此,未来建立“衰老生物标志物”时,除了考虑年龄本身,还需要充分考虑采样时间、季节以及个体生理节律。

研究人员还关注了环境暴露因素,特别是全氟和多氟烷基物质(PFAS),包括PFOA和PFOS。研究发现,受试者血清中的PFAS水平随时间下降,这与英国对相关物质使用进行限制的背景一致。同时,PFAS水平的变化与部分基因表达和代谢物水平存在时间依赖性关联。总体而言,PFOA/PFOS与约1.5%的基因和3%的代谢物存在纵向关联。

最后,研究人员将RNA表达数据与代谢组数据进行整合分析。结果显示,基因表达和代谢物之间存在广泛的横断面和纵向关联,并识别出一批稳定存在的以及随时间发生变化的“枢纽”基因和代谢物。进一步的多组相关分析和因子分析发现,多个共同因子同时解释了转录组和代谢组的变化,并与衰老、BMI以及2型糖尿病相关。



总的来说,该研究发现,群体平均趋势与个体实际衰老轨迹之间存在明显差异。虽然研究可以从335名受试者中识别出总体上随时间变化的基因和代谢物,但不同个体的变化幅度和方向并不完全一致,有些人的分子变化甚至与总体趋势相反。

因此,衰老可能并不存在一条所有人共同遵循的“标准分子轨迹”,而是由遗传背景、细胞组成、昼夜节律、季节、环境暴露以及代谢状态等多种因素共同塑造的动态过程。

参考文献:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed6452

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