有勁的基因資訊

作者：尤冠景/有勁基因

    男女生來有別，近年興起的兩性醫學就特別主張應針對男女生理上的差異給予不同的治療；免疫系統就是其中一個常被拿出來研究討論的「生理上的差異」。

    女性的免疫反應被認為比男性來的強，舉例來說，女性對疫苗的反應及清除病原體的速度皆優於男性¹。也有研究指出，年輕女性血液中的B細胞數目比年輕男性來的多，因此受到感染時，抵抗力比男性強²。然而免疫力強並非都是好事；據統計，和免疫力有關的自體免疫疾病就有8成是發生在女性身上，且大多比較嚴重³。

    2017年的一篇研究曾指出，人類周邊血液單核細胞(PBMC)的組成會隨著年齡產生變化，其中某些變化會造成免疫功能低下，而這些隨著老化而來的免疫缺陷，就是老年人容易生病和因病致死的原因⁴。既然女性的免疫力在年輕時期比男性強，老了以後，女性的免疫力相較於男性是不是也比較不會受老化影響呢？

　　今年有研究團隊就利用ATAC-seq、RNA-seq次世代定序技術，針對不同性別不同年齡受檢者的免疫基因活化程度與RNA變化量進行統計⁵。ATAC-seq(Assay For Transposase-Accessible Chromatin using Sequencing；使用定序轉座酶可接觸的染色質分析法)是一種新興技術，只會去定序轉錄因子可接觸的區域，而不會去定序隱藏在染色質內的DNA，藉此可以研究瞭解開放染色質區的DNA有哪些部位是活躍的。研究的結果發現，人老化時，和發炎有關的基因會被高度活化，而後天免疫及淋巴球相關基因如T細胞基因，則被抑制(詳見圖一)，這和我們所知免疫反應在人老化後的衰化表現相符，包括後天免疫反應變差、發炎反應情況變多等等。

圖一、隨著年紀增長，免疫反應相關基因的活躍程度變化情形

左圖顯示和免疫反應有關的基因表現；Y軸的分數越高，表示有越多基因被活化；X軸由左至右的年齡範圍分別是Young(22-40歲)、middle-aged(41–64歲)、older(65歲以上)。整體來說，老人(Older)的免疫反應相關基因比年輕人活躍，而老年男性又比老年女性活躍。右圖解析老化時免疫系統相關基因個別的活化情形，顏色標示越紅代表基因越活躍，越藍代表基因越不活躍。由圖可見，老化後，變活躍的基因大都和發炎反應有關，受抑制最多的基因是和後天免疫有關的T細胞基因。(圖片來源: Marquez, E.J., et al. Nat Commun. 2020 Feb;11(1):751-767)

　　該研究還針對幾種主要的免疫細胞進行了觀察，看看人老化時，這些細胞的基因功能表現會不會受到影響。結果發現，人在老化時，都會出現自然殺手細胞(natural killer cell)及單核球(monocyte)功能表現升高、T細胞功能下降這樣的免疫功能變化。值得注意的是，老年男性單核球基因功能被活化調高的程度是女性的15倍(請見圖二)，所以身體如果產生發炎反應，通常會比較嚴重。而體液性免疫核心的B細胞，其功能表現在老年男性身上則比女性低下，因此抗體免疫反應一般來說也會比女性差；但反過來看，老年女性一旦出現自體免疫問題，反應就會比男性強。至於T細胞功能，隨著老化的推進，男女都衰退。

圖二、隨著老化，各類免疫細胞基因功能表現有不同的調控變化

隨著年齡增加，不同免疫細胞的基因調控有不同的變化。和年輕人(Young)比起來，老年人(Older)的單核球和自然殺手細胞其基因功能表現更活躍，而T細胞的基因功能則會被抑制。值得注意的是，男性老化後，其單核球基因活躍程度比女性來的更高；而B細胞基因被抑制的情形則只有在老化後的男性身上看到。(圖片來源: Marquez, E.J., et al. Nat Commun. 2020 Feb;11(1):751-767)

　　為了進一步探討年齡造成的基因變化，該研究還用了常拿來進行時間序列預測的ARIMA統計模型(Autoregressive Integrated Moving Average model)，詳見下圖三。ARIMA主要處理和時間有關聯的資料，包括以年季月週日等依時間週期順序記錄的資料，這類型的資料通常都可以區分出群組特性來(clustering)。透過ARIMA模型，研究團隊發現基因活性會隨著年齡轉變；基因依據其活性的變化情形被區分為以下三個群組(詳見圖三左)：第一組基因(C1：F1/M1)的活性隨著年齡增加有下降的趨勢，這組主要是和T細胞有關的基因；值得注意的是，男性在這一組另外還出現了B細胞的基因，女性則沒有。第二組(C2：F2/M2)和第三組(C3：F3/M3)基因都是會隨著年齡增長而被活化的基因，只是第三組活化開始發生的時間比第二組更早。第二組主要是和單核球有關的基因，不過，男性的這組基因一旦被活化，速度比女性更快。第三組主要是與自然殺手細胞有關的基因。從這些數據看來，除了B細胞以外，兩性的基因活性變化有類似的趨勢，也就是說，隨著年紀變大，T細胞基因活性會下降，單核球和自然殺手細胞基因活性則會提升。

圖三、ARIMA模型模擬各年齡層的基因活化情形

左圖是ATAC-seq的各年齡資料經過ARIMA模擬後的基因活化熱圖(heatmap)。由圖可見，隨著X軸年齡的增加，男女依照基因的變化情況可各區分出三個基因群組(Y軸)。第一組(C1：F1/M1)熱圖隨著年齡增加顏色變藍，表示基因漸被抑制。第二組(C2：F2/M2)和第三組(C3：F3/M3)熱圖隨著年齡增加顏色變橘紅表示基因漸被活化。右圖則顯示各年齡層(橫軸)的基因變化程度(縱軸)，無關活化或抑制，縱軸數值越高表示變化越明顯。由圖可見男女各有兩個變化高峰(分界點breakpoint)，男性約莫落在40和60歲，女性則約落在40和70歲左右。(圖片來源: Marquez, E.J., et al. Nat Commun. 2020 Feb;11(1):751-767).

　　從上面的ARIMA模型也能看出，一生中免疫系統會面臨兩次大轉變(請見圖三右)。第一次發生的時間點男女相似，第二次轉變則男性要比女性提早個4到9年，這與男女平均壽命的差異不謀而合；且第二次轉變大都發生在壽命結束前的16到18年，而這種轉變又與免疫基因活化抑制情形的加速轉變有關。所以，未來說不定能用基因檢測來提早得知自己免疫基因開始發生變化的時間，以便有所因應。此外，從這些研究，我們可以確定性別在人類免疫系統老化衰退方面有著決定性的影響，因此在處理和年齡老化有關的疾病時，應特別注意性別所造成的差異性。

參考文獻

1.     Giefing-Kroll, C., et al. How sex and age affect immune responses, susceptibility to infections, and response to vaccination. Aging Cell. 2015 Jun;14(3): 309-321. Retrieved from https://doi.org/10.1111/acel.12326

2.     Abdullah, M., et al. Gender effect on in vitro lymphocyte subset levels of healthy individuals. Cell Immunol. 2012. 272(2):214-219. Retrieved from https://doi.org/10.1016/j.cellimm.2011.10.009

3.     Klein, S.L. and K.L. Flanagan. Sex differences in immune responses. Nat Rev Immunol. 2016 Oct;16(10):626-638. Retrieved from https://doi.org/10.1038/nri.2016.90

4.     Ucar, D., et al.The chromatin accessibility signature of human immune aging stems from CD8+ T cells. J Exp Med. 2017 Oct;214(10):3123-3144. Retrieved from https://doi.org/10.1084/jem.20170416

5.     Marquez, E.J., et al. Sexual-dimorphism in human immune system aging. Nat Commun. 2020 Feb;11(1):751-767. Retrieved from https://doi.org/ 10.1038/s41467-020-14396-9