人类前额叶皮层终生单细胞转录组图谱

Lifespan single-cell transcriptomic atlas of the human prefrontal cortex

作者信息Hui Yang, Tereza Clarence, Madeline R Scott, Xinyi Wang, Prashant N M, Milos Pjanic, Sanan Venkatesh, Aram Hong, Clara Casey, Sarah R Murphy, Zhiping Shao, Marcela Alvia, Stathis Argyriou, Alexander Kawah Yu, PsychAD Consortium, Nadejda M Tsankova, Pavan K Auluck, Stefano Marenco, Vahram Haroutunian, Georgios Voloudakis, Jaroslav Bendl, Colleen A McClung, Donghoon Lee, John F Fullard, Gabriel E Hoffman, Kiran Girdhar, Panos Roussos, Athan Z Li, Biao Zeng, Chenfeng He, Chirag Gupta, Christian Dillard, Christian Porras, Collin Spencer, Daifeng Wang, David A Bennett, David Burstein, Deepika Mathur, Fotios Tsetsos, Gennadi Ryan, Jennifer Monteiro Fortes, Jerome J Choi, Kalpana H Arachchilage, Karen Therrien, Lars J Jensen, Lisa L Barnes, Logan C Dumitrescu, Lyra Sheu, Marios Anyfantakis, Maxim Signaevsky, Mikaela Koutrouli, Monika Ahirwar, Nicolas Y Masse, Noah Cohen Kalafut, Pavel Katsel, Pengfei Dong, Pramod B Chandrashekar, Rachel Bercovitch, Roman Kosoy, Saniya Khullar, Sayali A Alatkar, Seon Kinrot, Steven Finkbeiner, Steven P Kleopoulos, Timothy

PMID42778698

期刊Nature

发布时间2026-09

DOI10.1038/s41586-026-10271-7

来源查看原文

实验完整度

高

包含snRNA-seq图谱、RNAscope组织验证、独立复制队列及空间转录组等多层级证据

主要模型

284例神经正常供体死后DLPFC组织（0–97岁） 1,307,674个单核转录组独立生命周期复制队列306例供体snRNA-seq 人DLPFC FFPE组织切片RNAscope验证

重点核对

snRNA-seq供体284例，年龄0–97岁，覆盖婴儿期至成年晚期，涵盖多个脑库来源独立复制队列306例供体（孕22周至101岁，2,039,078核）验证年龄相关差异表达基因方向与幅度 RNAscope验证使用8例供体FFPE DLPFC切片，标记SST（IN_SST）和GPR37（少突胶质细胞）昼夜节律分析：青年+中年组n=119，成年晚期组n=77，基于已知死亡时间空间转录组验证：10例成年供体（33–62岁）30个DLPFC切片Visium数据

摘要

人脑从早期发育到成年晚期经历深刻变化，塑造认知、行为和疾病易感性。理解这些变化如何在特定脑区和细胞类型中组织，对于解读正常衰老及其与精神疾病和神经退行性疾病的关系至关重要。背外侧前额叶皮层在高阶认知功能中发挥核心作用，尤其易受年龄相关衰退影响，但其在整个生命周期中的细胞和分子程序仍不明确。多数现有研究集中于有限年龄段或疾病脑，限制了对正常发育和衰老轨迹与病理过程的区分。因此，一直缺乏一个全面、终生分辨的人类前额叶皮层细胞状态参考。本文利用跨越人类生命周期的单核转录组图谱，显示背外侧前额叶皮层呈现非线性的、细胞类型特异性的转录轨迹，特征为发育期动态重塑、中年期相对稳定和成年晚期选择性分子再激活。我们鉴定出不同的神经元和胶质细胞程序，包括早期神经元韧性通路和与免疫激活、应激反应及昼夜节律重编程相关的晚期胶质细胞程序。这些程序沿皮层层次及灰白质区域具有解剖学组织，揭示协调的空间和分子变化。总体而言，这些发现为理解人类皮层细胞程序如何从韧性转向易感性提供了框架，并为解读年龄相关认知衰退和疾病风险奠定了基础。

构建DLPFC终生单核转录组图谱

建立跨生命周期的DLPFC单核分辨率转录组参考，识别细胞类型和亚类

对284例神经正常供体（0–97岁）的DLPFC进行snRNA-seq，经质控保留1,307,674核，注释为8个主要细胞类和27个亚类、65个亚型

量化年龄相关核组成变化

评估不同亚类细胞比例随年龄的变化轨迹

使用variancePartition和crumblr分析核组成，鉴定log递增和log递减轨迹，并通过RNAscope验证

鉴定年龄相关差异表达基因和转录阶段

识别不同年龄段的转录组变化及功能特征

使用dreamlet在伪bulk水平进行差异表达分析，鉴定aDEGs，并进行GO和MAGMA富集分析

建模基因表达终生非线性轨迹

刻画aDEGs随年龄的动态表达模式

拟合12种年龄模型，选择poly(log2(age+1), d.f.=2)为最优，k-means聚类得到10条轨迹

评估跨亚类转录趋同

分析年龄相关效应在EN、IN和胶质亚类间的共享程度

使用mashr估计复合后验概率（PE, PI, PG），计算tau评分，构建PPI网络

伪时间轨迹分析揭示细胞谱系动态

重建DLPFC主要细胞谱系的发育和衰老轨迹

整合已发表数据（311例供体，1,454,617核），使用UMAT和Monocle3进行伪时间分析，鉴定traDEGs并聚类

转录因子调控网络推断

识别调控伪时间基因模块的关键转录因子

使用decoupleR ULM推断TF活性，结合STRING-db构建PPI网络，筛选关键TF

空间转录组验证

验证伪时间模块的皮层层次和区域分布

分析10例成年供体30个DLPFC切片Visium数据，计算模块PC1评分

昼夜节律重编程分析

比较青年+中年与成年晚期的24小时基因表达节律

基于已知死亡时间，使用cosinor模型鉴定节律基因，比较组间差异

实验环节	名称	品牌	货号
细胞核分离	TotalSeq-A核哈希抗体	BioLegend	--
细胞核分选	FACSAria流式细胞仪	BD Biosciences	--
测序	NovaSeq测序平台	Illumina	--
RNAscope	RNAscope多重荧光v2检测试剂盒	ACD	323100
Hs-SST-C2探针	ACD	310591-C2
Hs-GPR37-C3探针	ACD	513631-C3
TrueBlack	Biotium	23007
ProLong Gold抗荧光淬灭封片剂	Thermo Fisher Scientific	P36930
成像	EVOS M7000显微镜	Thermo Fisher Scientific	--
细胞核计数	Countess II细胞计数仪	Life Technologies	--

实验环节

名称

品牌

货号

细胞核分离

TotalSeq-A核哈希抗体

BioLegend

细胞核分选

FACSAria流式细胞仪

BD Biosciences

测序

NovaSeq测序平台

Illumina

RNAscope

RNAscope多重荧光v2检测试剂盒

ACD

323100

Hs-SST-C2探针

ACD

310591-C2

Hs-GPR37-C3探针

ACD

513631-C3

TrueBlack

Biotium

23007

ProLong Gold抗荧光淬灭封片剂

Thermo Fisher Scientific

P36930

成像

EVOS M7000显微镜

Thermo Fisher Scientific

细胞核计数

Countess II细胞计数仪

Life Technologies

环节	核对要点
snRNA-seq样本收集与处理	供体来源（NIMH-IRP HBCC 172例，MSSM 112例），纳入标准（CERAD评分=1，Braak 0–2，无脑相关诊断），年龄分组，性别和祖先分布阅读提示：Methods 'DLPFC lifespan study design'；Supplementary Fig. 1a；Supplementary Table 1；Supplementary Data 1
细胞核分离和snRNA-seq建库	组织用量25 mg，裂解缓冲液，蔗糖离心条件（107,000g，1 h，4°C），抗体孵育浓度和时间，10x Genomics 3' v3.1试剂，每孔60,000核（每供体10,000）阅读提示：Methods 'FANS protocol and snRNA-seq hashing from frozen brain tissue'
数据质控和预处理	UMI阈值1,500–110,000，基因数1,100–12,500，线粒体比例≤5%，双细胞去除（Scrublet），供体至少50核，基因表达在至少0.05%核中阅读提示：Methods 'Rigorous quality-control pipeline'；Supplementary Fig. 2a
年龄相关差异表达分析	伪bulk聚合策略（供体×亚类），协变量模型（sex, PMI, log(ngenes), mitogenes, mitoribo, percentagemito, ribogenes），FDR<0.05 阅读提示：Methods 'Pseudobulk data aggregation and covariate selection'；Methods 'Age-associated transcriptomic changes'；Supplementary Data 4
RNAscope验证	8例供体年龄分布（0.33, 0.75, 9, 38, 51, 53, 65, 86岁），切片厚度5 µm，探针Hs-SST-C2和Hs-GPR37-C3，每切片3–4个ROI，阳性判定≥2 RNA分子阅读提示：Methods 'Validation of nucleus composition changes with age using RNAscope'；Fig. 1g；Extended Data Fig. 1d,e
昼夜节律分析	死亡时间归一化至ZT，青年+中年组n=119，成年晚期组n=77，cosinor模型，FDR<0.05，置换检验1,000次阅读提示：Methods 'Rhythmicity analysis'；Fig. 6a；Extended Data Fig. 6a；Supplementary Data 17–21

环节

核对要点

snRNA-seq样本收集与处理

供体来源（NIMH-IRP HBCC 172例，MSSM 112例），纳入标准（CERAD评分=1，Braak 0–2，无脑相关诊断），年龄分组，性别和祖先分布

阅读提示：Methods 'DLPFC lifespan study design'；Supplementary Fig. 1a；Supplementary Table 1；Supplementary Data 1

细胞核分离和snRNA-seq建库

组织用量25 mg，裂解缓冲液，蔗糖离心条件（107,000g，1 h，4°C），抗体孵育浓度和时间，10x Genomics 3' v3.1试剂，每孔60,000核（每供体10,000）

阅读提示：Methods 'FANS protocol and snRNA-seq hashing from frozen brain tissue'

数据质控和预处理

UMI阈值1,500–110,000，基因数1,100–12,500，线粒体比例≤5%，双细胞去除（Scrublet），供体至少50核，基因表达在至少0.05%核中

阅读提示：Methods 'Rigorous quality-control pipeline'；Supplementary Fig. 2a

年龄相关差异表达分析

伪bulk聚合策略（供体×亚类），协变量模型（sex, PMI, log(ngenes), mitogenes, mitoribo, percentagemito, ribogenes），FDR<0.05

阅读提示：Methods 'Pseudobulk data aggregation and covariate selection'；Methods 'Age-associated transcriptomic changes'；Supplementary Data 4

RNAscope验证

8例供体年龄分布（0.33, 0.75, 9, 38, 51, 53, 65, 86岁），切片厚度5 µm，探针Hs-SST-C2和Hs-GPR37-C3，每切片3–4个ROI，阳性判定≥2 RNA分子

阅读提示：Methods 'Validation of nucleus composition changes with age using RNAscope'；Fig. 1g；Extended Data Fig. 1d,e

昼夜节律分析

死亡时间归一化至ZT，青年+中年组n=119，成年晚期组n=77，cosinor模型，FDR<0.05，置换检验1,000次

阅读提示：Methods 'Rhythmicity analysis'；Fig. 6a；Extended Data Fig. 6a；Supplementary Data 17–21

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