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Nature｜跨物种肾脏单细胞图谱揭示上皮主导的疾病衰老样状态
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▍导读 2026年，Altos Labs 等团队在 Nature Aging 发表跨物种单细胞肾脏表观组图谱，整合 DNA 甲基化、染色质可及性与转录组，涵盖健康与损伤人肾、年轻与年老小鼠肾。图谱含 57,619 个细胞核，发现疾病肾中肾小管上皮细胞的表观遗传衰老显著加速（时钟年龄平均快 4.8 年），且该状态重现正常衰老的转录轨迹、定位于未愈合修复微环境。图谱为肾脏衰老与疾病研究提供了细胞类型分辨的表观遗传资源。 ▍导读 慢性肾脏病（CKD）是重大公共卫生挑战，长期损伤与炎症导致肾功能进行性下降、肾单位细胞修复受损，部分损伤细胞会进入持续的功能失调状态，助推纤维化与器官衰竭。 表观遗传机制是建立和维持细胞身份、调控应激反应的关键：正常时引导有效修复，而表观遗传失调会把组织从适应性修复推向持续病理状态。肾脏细胞类型繁多，慢性病中与修复失败相关的细胞类型特异表观程序尚不清楚。 单细胞研究已解析肾脏的转录组与染色质可及性，但更深的表观层（DNA 甲基化、三维基因组）仍缺细胞类型分辨的视图。DNA 甲基化是细胞身份长期稳定的记录，而衰老是 CKD 的首要风险因素，正常衰老相关的表观漂移与疾病驱动的特异改变之间如何交织，仍待阐明。 ▍研究方法 研究构建跨物种、多模态的单细胞肾脏表观组图谱，把单细胞 DNA 甲基化与配对的转录组、染色质可及性、空间转录组和三维基因组数据整合在同一框架内： - 单细胞甲基化图谱：用组合索引法 sciMET 获取 57,619 个高质量细胞核，纳入 12 例人供体（33,835 核，含 7 例肾病与 5 例年龄匹配对照）与 6 只小鼠（23,784 核，3 只 4 月龄、3 只 20 月龄），每细胞中位测得 0.91 M CpG。 - 配对多组学：生成人（142,459 核）与小鼠（36,563 核）单细胞 multiome（RNA＋ATAC），把甲基化与染色质可及性、基因表达直接相连。 - 空间与三维层：用 Xenium 在健康、AKI 与 CKD 代表性样本上（383,771 细胞）做空间转录组；用 scMethyl-Hi-C 在健康参考供体中定义 3D 染色质区室。 - 跨物种与遗传整合：把细胞与最近邻聚成 metacell，在 40,284 个一对一正交 5-kbp bin 上比对并以 Harmony 整合；用 S-LDSC 把细胞类型 DMR 与 eGFR 遗传力关联，并借 UK Biobank Olink 血浆蛋白数据校验候选基因。 ▍核心发现 1、构建跨物种的单细胞肾脏表观组图谱 研究用组合索引法 sciMET 构建跨物种单细胞 DNA 甲基化图谱，共 57,619 个高质量细胞核。 样本纳入 12 例人供体（33,835 核，含 7 例肾病与 5 例年龄匹配对照）与 6 只小鼠（23,784 核，3 只 4 月龄、3 只 20 月龄），每细胞中位测得 0.91 M CpG；人样本同批处理并按 SNP 拆分，99.2% 的细胞核可正确回判供体。 匹配的单细胞 RNA 与 ATAC 数据把甲基化与染色质可及性、基因表达直接相连；启动子型 UMR 有 92.6% 与 ATAC 峰重叠，增强子型 LMR 为 54.8%，为在细胞类型分辨率上刻画肾脏表观组搭好框架。（图 1） 图 1｜《单细胞 DNA 甲基化组刻画肾脏细胞类型表观组及其跨物种保守性》 · 来源：Jeong et al., 2026, Nature Aging｜UMAP、箱线图与多组学比较图 图谱含 57,619 个高质量细胞核，人和小鼠分别在 UMAP 中按细胞类型分簇；多数谱系全局 mCG 稳定在 69.1%–81.7%，免疫细胞的离散度最大。读图先看 (a) 两个物种中细胞类型的分簇及对应关系，再看 (b) 各细胞类型 mCG/mCH 箱体的中位与离散，并结合 (c)–(e) 核对多组学细胞组成及 UMR/LMR 与 ATAC 峰的重叠。 2、跨物种比较揭示上皮细胞表观演化加速 研究把每个细胞与其 50 个最近邻聚成 metacell，在 40,284 个一对一正交 5-kbp bin 上量化演化保守性，并用 Harmony 整合人鼠甲基化组。 人肾细胞类型共识别出 208,049 个特异 DMR，其中仅 16.4% 与 Illumina 850K 芯片探针重叠，说明以往基于芯片的研究漏掉了大量调控元件；57,259 个 DMR 可对齐到种间一对一正交位点。 跨物种比较显示核心肾脏功能高度保守，分歧主要出现在上皮的远端增强子，并富集染色质维持、应激反应等与衰老相关的通路，提示上皮细胞更易受年龄相关表观漂移影响。（图 2） 图 2｜《比较分析揭示肾脏上皮加速的表观演化》 · 来源：Jeong et al., 2026, Nature Aging｜UMAP 与热图 整合后的人鼠甲基化组按同源细胞类型共聚类；人细胞类型 DMR 仅 34% 在小鼠保持同一状态，上皮类型分歧最大，保守区富集于转录起始位点与 Polycomb 抑制态，分歧区集中于远端增强子。读图先看 (a) 人鼠混匀程度，再看 (b) DMR 热图，最后对照 (e) 保守与分歧 PT DMR 在染色质状态及基因组注释中的富集差异。 3、衰老选择性冲击细胞类型特异的顺式调控元件 在小鼠肾脏中，基于全局 DNA 甲基化的表观遗传时钟能准确区分 4 月龄与 20 月龄个体，说明小鼠肾脏甲基化组携带明确的衰老信号。 细胞类型特异的调控元件（LMR/UMR）比跨细胞共享的元件更易随年龄发生高甲基化和甲基化漂移，提示维持特化身份的元件本身更脆弱；这种脆弱性在远端增强子（LMR）中尤为突出。 在 LMR 中，细胞类型越相近，其特异调控区越容易在衰老中被扰动；年龄相关 DMR 还在小鼠缺血再灌注损伤模型的修复相关可及区中显著富集（fold enrichment = 2.95，P < 0.01），把衰老与损伤的调控位点连在一起。（图 3） 图 3｜《年龄相关甲基化改变选择性影响细胞类型特异的顺式调控区》 · 来源：Jeong et al., 2026, Nature Aging｜箱线图、相关性图与基因组轨道 表观时钟可把 4 月龄与 20 月龄小鼠清晰分开；细胞类型特异的 LMR/UMR 比共享元件出现更强的高甲基化与年龄漂移，而细胞类型相似性与年龄漂移的相关性仅见于 LMR。读图先看 (a) 年轻与年老小鼠的分组差异，再看 (d)(e) 特异与共享元件的对比，最后用 (f) 核对 LMR 相关性、用 (g) 核对年龄相关 DMR 在细胞类型特异调控区中的富集；(h) 展示衰老甲基化变化与 IRI 模型 ATAC 轨道对应的位点示例。 4、疾病相关甲基化时钟加速集中在上皮细胞 研究比较肾病患者与年龄匹配对照的单细胞甲基化组，样本层面即可见显著的时钟年龄加速（P = 0.01）；降采样与低覆盖度验证说明该结果稳健。 加速由上皮细胞主导：疾病组上皮亚群平均加速 4.8 年，非上皮亚群无显著差异；由于疾病样本上皮比例并未升高（反而纤维与免疫细胞增多），该加速更可能来自细胞内在的表观改变。 在独立的分选组织 bulk 甲基化队列中，用图谱做细胞类型去卷积后同样发现，富集肾小管上皮的组织加速最明显；PT 特异 DMR 还显著富集 eGFR 的遗传力，把细胞状态的表观失调与肾功能相关遗传风险直接联系起来。（图 4） 图 4｜《疾病相关的 DNA 甲基化时钟年龄加速在肾小管上皮细胞中最为显著》 · 来源：Jeong et al., 2026, Nature Aging｜箱线图、细胞组成图与富集热图 上皮细胞在疾病组的时钟年龄加速平均达 4.8 年，非上皮群体无显著差异；疾病样本上皮比例相近而纤维与免疫细胞增多，提示加速来自细胞内在表观改变。读图先看 (a) 上皮与非上皮箱体的分组差异，再看 (b) 细胞组成变化，以 (e) 核对独立分选组织中的年龄加速，最后看 (f) 各性状—细胞类型的富集热图。 5、改变态近端小管细胞出现局部甲基化失序 在同一供体内比较改变态与健康态 PT 细胞，可排除个体遗传、时序年龄与性别等混杂，直接分离状态相关的表观改变：8,996 个 DMR 中 63.1% 为高甲基化。 改变态 PT 细胞的局部甲基化协调性下降：单分子共甲基化分析显示相邻 CpG 一致性降低、甲基化熵升高，且在 PT 特异调控区最明显。 甲基化变化与邻近基因表达负相关，改变态 PT 的转录改变与 20–90 岁人群正常衰老的 PT 转录程序正相关；协同失调的基因更常缺乏 CpG 岛，提示损伤状态重现了衰老样的表观—转录程序。（图 5） 图 5｜《改变态近端小管细胞局部甲基化协调性下降并富集缺乏 CpG 岛的失调基因》 · 来源：Jeong et al., 2026, Nature Aging｜密度散点图与箱线图 8,996 个改变态 PT DMR 中 63.1% 为高甲基化；PT 特异 DMR 的甲基化熵显著高于其他细胞类型的 DMR，且启动子甲基化变化与邻近基因表达负相关（rho = −0.49）；协同变化的基因显著富集于缺乏 CpG 岛的基因。读图先看 (a) 散点分布的不对称，再看 (b) 熵箱体的组间比较，最后看 (e) 三类基因的 CGI 比例柱。 6、把表观改变映射到修复相关的空间微环境 研究用 Xenium 在涵盖健康、AKI 与 CKD 的四例样本上检测 5,000 个基因，并与人类肾脏图谱整合，解析从皮质到髓质的细胞类型及修复相关的 PT 状态。 根据空间共定位将细胞划分为空间生态位（spatial niche），分别对应正常结构（如肾小体生态位 10）、早期修复（生态位 8，AKI 富集）与修复失败（生态位 6，CKD 富集）；转录因子活性也随之变化：健康 PT 富集的生态位 9 以 HNF1A、HNF4A 为主，生态位 8 出现 JUN、ATF4、BACH2 等信号，生态位 6 则以 BHLHE40、MYC、MITF 等为代表。 基因集富集分析显示，改变态 PT 的低甲基化基因富集于空间上的改变态 PT 细胞，高甲基化基因则富集于健康态；PCK1 在高甲基化下表达下降，而 PLAU、MYO1C 等极性黏附相关基因低甲基化且上调，说明甲基化相关的表达改变确实落在未愈合修复的病理生态位中。（图 6） 图 6｜《改变态 PT 的 DMR 相关基因签名定位于疾病相关修复生态位》 · 来源：Jeong et al., 2026, Nature Aging｜空间转录组图与热图 Xenium 空间图把细胞类型与状态按共定位组织成生态位：生态位 10 对应肾小体，生态位 8 为 AKI 富集的早期修复、生态位 6 为 CKD 富集的修复失败；(c) 显示生态位 9 的 HNF1A/HNF4A、生态位 8 的 JUN/ATF4/BACH2，以及生态位 6 的 BHLHE40/MYC/MITF 等转录因子信号。读图先看 (a) 各样本的生态位空间分布，再看 (c) 转录因子活性热图与 (f) 基因签名的空间映射。 ▍核心结论速览 - 构建跨物种单细胞肾脏表观组图谱，含 57,619 个高质量细胞核。 - 人鼠核心肾脏身份保守，上皮远端调控区分歧更大。 - 衰老选择性冲击细胞类型特异的顺式调控元件。 - 疾病相关甲基化时钟加速集中在上皮，平均快 4.8 年。 - 改变态 PT 局部甲基化失序，协同失调基因缺乏 CpG 岛。 - 表观改变定位于未愈合修复的空间生态位，并伴随染色质重组。 ▍研究意义 科学价值：首次在细胞类型分辨率上建立跨物种肾脏单细胞表观组图谱，把人鼠 DNA 甲基化、染色质可及性、转录组、空间转录组与三维基因组整合到同一框架，证明疾病中的表观遗传衰老由肾小管上皮主导，并与正常衰老共享转录程序。 临床价值：把 PT 特异 DMR 与 eGFR 遗传力及血浆蛋白（DSC2、DSG2、TIMP2）的 eGFR 关联相连接，提出肾功能相关的候选基因与分子线索；空间分析则定位了与修复失败相关的病理生态位。 ▍局限与下一步方向 作者指出若干局限：小鼠衰老与急性损伤模型难以完全代表人类慢性病的复杂性，尚需纵向研究才能确定表观遗传衰老与肾病进展的因果关系；跨物种比较聚焦正交 bin 与可比对 DMR，物种特异序列与人类遗传变异的影响未被完全纳入；小鼠队列仅用雄性，考虑到 PT 生理与代谢的性别差异，观察到的种间分歧与年龄改变可能受性别偏倚影响；人类疾病队列样本量小且异质，无法按病因分层；scMethyl-Hi-C 仅依赖单个健康参考供体，分辨率稀疏，可能低估染色质环扰动。下一步需用更大、病因匹配的队列与雌雄兼顾的纵向设计，分离保守机制与性别特异调控网络。 ▍FAQ Q：为什么疾病中加速衰老的是上皮细胞而不是其他细胞？ 上皮细胞承担大量转运与代谢功能，需要维持密集的调控网络，其远端增强子等特化元件在慢性应激下更易失稳；同时渗入的免疫细胞通过炎症因子与活性氧加重邻近上皮的染色质重塑。 Q：这里的衰老样状态是否等于细胞衰老（senescence）？ 不等同。作者强调损伤、炎症、应激与去分化本身也会产生重叠的分子签名，因此不能把该状态直接归因于加速的生物学衰老或细胞衰老，只能称其为表观与转录层面的衰老样状态。 Q：缺乏 CpG 岛的基因有什么特别？ 这类基因常位于抑制性异染色质（如核纤层相关结构域）中，原本处于被抑制状态；它们随甲基化与表达协同失调，提示表观去抑制可能释放了本该沉默的程序，并与衰老相关退变有关。 Q：这项研究对临床有什么直接线索？ PT 特异 DMR 显著富集 eGFR 的遗传力，且改变态相关的 DSC2、DSG2、TIMP2 血浆蛋白水平与 eGFR 负相关，提示这些位点与蛋白可作为肾功能相关表观标志物的候选。 ▍君录视角 · 细胞图谱 样本深度与广度：主体图谱来自 57,619 个高质量细胞核，人一侧纳入 12 例供体共 33,835 核（7 例肾病与 5 例年龄匹配对照），小鼠一侧 6 只共 23,784 核（3 只 4 月龄、3 只 20 月龄），每细胞中位测得 0.91 M CpG；人样本同批处理并按 SNP 拆分，99.2% 的核可正确回判供体。此外还有配对的人 142,459 核、小鼠 36,563 核单细胞 multiome，以及覆盖健康、AKI、CKD 的 383,771 个细胞空间转录组。广度上跨物种、跨年龄、跨健康—损伤状态，深度上落到单细胞甲基化与三维基因组两层。 技术栈：以 sciMET 做单细胞全甲基化组测序，用 50 近邻聚 metacell 后在 40,284 个一对一正交 5-kbp bin 上做跨物种比对并以 Harmony 整合；配套 10x Multiome（RNA＋ATAC）打通可及性与表达，Xenium 提供空间层，scMethyl-Hi-C 在同一细胞内同时读取三维接触与甲基化。下游以 S-LDSC 把细胞类型 DMR 与 eGFR 遗传力关联，并用 UK Biobank Olink 血浆蛋白做外部锚定；甲基化组按 UMR/LMR 切分，与 ATAC 峰的重叠率分别为 92.6% 与 54.8%。 君录整合：该工作把 DNA 甲基化、染色质可及性、转录组、空间转录组与甲基-Hi-C 五层数据在细胞类型上对齐，显示疾病相关的表观遗传衰老主要集中于肾小管上皮（时钟年龄平均快 4.8 年），并形成“局部甲基化协调性下降、特异调控元件失稳，以及炎症与重塑程序异常表达”之间的可检验关联框架。对以肾脏这类上皮富集组织为对象的衰老与损伤研究，这套“单细胞甲基化库＋配对多组学＋空间与三维验证”的组合，可作为判断某细胞状态是单纯应激反应还是衰老样程序的第一步；PT 特异 DMR、缺乏 CpG 岛的基因与未愈合修复生态位，是可直接切入的抓手。 ▍原文信息 Jeong H, Lake BB, Diep D, et al. A cross-species single-cell kidney epigenome atlas reveals epithelial-dominant aging-like states in disease. Nature Aging. 2026;6:2218–2233. doi:10.1038/s43587-026-01221-z ▍关于我们 君录生物 · 以数据驱动创新药早期开发 自建心血管专病数据基座＋分析平台 做靶点发现与药物管线早期资产       |
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