基于单细胞转录组测序研究特发性肺纤维化的细胞异质性及衰老调控机制

Previous study implied that idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a complex age-related disease involving changes in phenotypes across a variety of cell types throughout the lung. The extremely pathological heterogeneity is a major obstacle for understanding the onset and development of IPF. To tackle it, we propose to explore the pathological heterogeneity at the cellular level. To this end, we intend to perform single cell RNA sequencing of IPF and normal lung tissues to distinguish abnormal cell subpopulations of different types, and to identify rare IPF-specific cell types as well. Based on these novel findings, we plan to investigate the roles of aging mechanisms in the pathogenesis of different cell types, and reveal the cell-specific aging mechanisms through detailed characterization of dysregulation in Klotho, one of the most well-known anti-aging factors, at the single cell level. Upon the completion of this project, we hope to provide a cellular basis for clarifying the pathological heterogeneity of IPF, to give valuable insights into the roles of aging mechanism in the development of IPF, and to provide reference value and significance to the development of strategies for early diagnosis and interference in IPF.

特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis, IPF）是复杂的衰老相关疾病，前期研究提示其与多种肺组织细胞的异常相关，然而该病在病理上呈现的高度异质性严重阻碍了对其发生发展机制的深入研究。针对此问题，本项目拟应用单细胞转录组测序技术，通过比较正常和疾病状态下肺组织中的细胞类群，探明各细胞类型中的异常部分，并鉴定IPF特有的细胞类型，首次从细胞层面诠释IPF的异质性。进而深入探讨衰老机制在各细胞类型异常状态中的作用，并以经典抗衰老基因Klotho的异常为例，诠释衰老机制的细胞特异性。本项目旨在阐明IPF异质性的细胞学基础，深入认识衰老机制在IPF中的作用，对寻找IPF早期诊断及干预的新靶标具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

本项目充分利用实施初期即公开发布的两项大样本量IPF单细胞转录组研究数据，论证了IPF的异质性，并深入分析了抗衰老基因Klotho（KL）的表达变化、作用及机制，经实验验证，明确了：IPF肺组织的肺成纤维细胞中KL表达下调；体外补充KL可通过抑制肺成纤维细胞激活、迁移、ECM合成而发挥抗IPF效应；KL的下游共表达基因FOXF1和CAV1分别通过调控CDH2-CDH11转变及抑制JNK、ERK通路激活介导KL对肺成纤维细胞迁移及ECM合成的抑制效应；KL共表达基因GATA2在IPF肺组织的肺成纤维细胞中表达下调，从而对靶基因Adamts3和Adamts12的转录抑制作用减弱，Adamts3和Adamts12表达增加，分别通过促进ECM合成及细胞迁移而介导GATA2下调的促纤维化效应。此外本项目将IPF单细胞测序调整为对另一种具有典型异质性的肺组织衰老相关疾病COPD的单细胞转录组研究，通过对9例包含不同吸烟史的年轻对照、衰老对照及COPD肺组织展开单细胞测序及分析，明确了单核细胞、club细胞、巨噬细胞分别与COPD、衰老、吸烟这三种状态的显著相关性。在COPD肺组织中，单核细胞分泌IL1B、TNF等促炎性细胞因子，增强与肺泡上皮细胞的互作，导致后者的炎症性损伤；在衰老肺组织中，单核细胞通过IL18激活club细胞的IFN/MHC I自身免疫性轴，破坏club细胞的干性，从而加剧肺泡上皮的损伤，构成衰老促进COPD发生发展的机制之一。在吸烟肺组织中，巨噬细胞和内皮细胞间通过增强的基于配体-受体的细胞间互作和基于鞘磷脂代谢产物的细胞间通讯，造成内皮屏障损伤，间接增加免疫细胞对肺组织的浸润，从而构成吸烟促进COPD发生发展的重要机制。这部分研究拓宽了在我们对COPD发病机制的认知，丰富了现有的病理模型，为COPD的诊断及治疗提供了新的思路及理论依据。