Bulk RNA-seq联合ScRNA-seq分析揭示大鼠衰老椎间盘中髓核细胞铁死亡的分子特征

目的：近年来，多项研究报道髓核（NP）细胞铁死亡在椎间盘退变（IDD）中发挥关键作用。然而，涉及的细胞亚群的特征和分子机制仍不清楚。我们旨在确定驱动铁死亡的关键因素，以及IDD期间铁死亡NP细胞亚群的特征。方法：通过普鲁士蓝染色检测大鼠尾椎椎间盘（IVDs）NP组织中铁离子的积累。使用荧光探针十一酰基硼二吡咯亚甲基（C11-BODIPY）和脂质过氧化产物4-羟基壬烯醛（4-HNE）染色评估NP细胞的脂质过氧化水平。将衰老NP组织中的差异表达基因与FerrDB数据库重叠，筛选与衰老相关IDD相关的铁死亡驱动基因。此外，使用单细胞测序（ScRNA-seq）绘制NP细胞图谱，并进一步鉴定铁死亡NP细胞亚群及其关键驱动因子。最后，通过聚类分析鉴定铁死亡NP细胞的标记基因。结果：组织学染色显示，与10月龄（10M-old）组相比，20月龄（20M-old）大鼠NP组织中铁离子积累增加，脂质过氧化水平也增强。通过交叉富集筛选出15个与IDD相关的铁死亡驱动因子。ScRNA-seq在NP组织细胞中鉴定出14个亚群，其中5个亚群的数量和比例减少，且细胞内铁死亡相关信号通路显著富集，伴随细胞脂质过氧化增强。值得注意的是，对铁死亡相关基因上调倍数排序，发现Atf3始终位于这5个细胞亚群的TOP2内，提示它是NP细胞铁死亡的关键驱动因子。最后，聚类交叉富集和荧光共定位分析揭示Rps6 +/Cxcl1-是5个铁死亡NP细胞亚群的共同分子特征。结论：本研究揭示ATF3是IDD过程中NP细胞铁死亡的关键驱动因子，Rps6 +/Cxcl1-是铁死亡NP细胞亚群的共同分子特征。这些发现为后续靶向干预NP细胞铁死亡提供了证据和理论支持，也为预防和延缓IDD提供了方向。