Protein&Cell:发现延缓人类骨骼肌衰老的新靶标

      骨骼肌是执行机体运动功能的主要组织器官之一。与衰老相关的骨骼肌质量和功能减退被称为肌肉减少症(Sarcopenia,肌少症),这种疾病将导致老年人运动能力、平衡能力等身体机能的显著下降,进而增加虚弱、跌倒、残疾甚至死亡的风险。此外,骨骼肌分泌的肌源因子会对全身产生系统性影响,对于维持机体的稳态和健康具有重要作用。因此,深入了解骨骼肌稳态维持及衰老驱动的机制具有重要的科学和临床意义。

然而,由于骨骼肌组织结构的复杂性和肌纤维组成的异质性,传统的研究手段难以揭示骨骼肌中多核肌纤维细胞的特征性变化,目前人们对骨骼肌衰老的机制的认识还十分有限,也阻碍了相关干预手段的开发。

近日,中国科学院动物研究所刘光慧课题组、曲静课题组,首都医科大学宣武医院王思课题组以及中国科学院北京基因组研究所张维绮课题组合作,在 Protein & Cell 期刊发表了题为:Single-nucleus profiling unveils a geroprotective role of the FOXO3 in primate skeletal muscle aging 的研究论文。

该研究通过系统解析灵长类骨骼肌的衰老表型并绘制单细胞核转录组图谱,揭示了FOXO3作为维持骨骼肌稳态的枢纽转录因子,在拮抗人类骨骼肌衰老中发挥关键作用,为进一步开发针对骨骼肌衰老的诊断和干预策略提供了理论基础。

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研究团队首先通过对年轻和年老的食蟹猴骨骼肌进行组织学分析,发现了骨骼肌衰老过程出现肌纤维萎缩、快肌减少、慢肌增多、肌肉干细胞减少、肌间脂质积累、神经肌肉接头受损、凋亡增加、核纤层加速丢失、核内异染色质损耗等一系列衰老特征。

为了在单细胞分辨率解析灵长类骨骼肌衰老的细胞分子变化规律,研究人员进一步构建了食蟹猴骨骼肌衰老的单细胞核转录组图谱,系统揭示了骨骼肌组织中存在的14种细胞核类型,包括I型慢肌纤维、IIA型快肌纤维、IIX型快肌纤维、神经肌肉接头突触后肌纤维等4种来自多核肌纤维的细胞核,以及肌肉干细胞、内皮细胞、平滑肌细胞、肌腱成纤维细胞、成纤维细胞/成纤维脂肪生成祖细胞、巨噬细胞等肌间质细胞。

尽管骨骼肌衰老过程中不同类型细胞的身份特征保持相对恒定,但特殊细胞群体的比例发生了变化,例如肌肉干细胞和内皮细胞的减少等。通过对转录噪音和衰老相关差异基因进行分析,发现骨骼肌纤维对衰老具有更高的易感性,主要反映为肌纤维具有较高的转录噪音以及衰老相关差异表达的基因。

进一步分析发现,FOXO3在衰老的多种细胞(包括肌纤维细胞)中均出现下调变化。与骨骼肌衰老相关退行疾病数据库的联合分析表明,FOXO3与多种骨骼肌退行性疾病密切相关。此外,研究团队构建了骨骼肌衰老的核心转录因子网络,也发现FOXO3在下调的转录调控网络中处于核心位置。进一步的实验证明了FOXO3在食蟹猴骨骼肌组织和人类骨骼肌样本中均呈现出增龄伴随的蛋白质水平下调,提示衰老过程中FOXO3蛋白的活力降低是灵长类骨骼肌衰老的共性特征。

为了深入探究FOXO3对人类骨骼肌衰老的潜在调控作用,研究人员建立了人多能干细胞定向诱导分化为肌管细胞的研究体系。研究发现,与衰老的人类骨骼肌组织类似,衰老的人肌管细胞中FOXO3的表达水平也发生下调。此外,敲低或敲除FOXO3的人肌管细胞也表现为一系列衰老相关表型,包括肌管直径减小和衰老标志物的增加。

进而,研究团队通过基因编辑产生了内源FOXO3激活的遗传增强型人类肌管细胞,并证明了主动增加FOXO3的活力可显著延缓人类肌管细胞的衰老。

该研究首次绘制了灵长类骨骼肌衰老的单细胞核转录组图谱,系统解析了不同类型骨骼肌细胞随增龄发生的特异性分子变化规律;同时结合人类肌管衰老的研究体系,揭示了长寿蛋白FOXO3在拮抗人类骨骼肌衰老中的重要作用。这项研究为理解人类骨骼肌衰老的分子机制、诊断和治疗骨骼肌衰老及相关疾病的的提供了理论依据。

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图1. 灵长类骨骼肌衰老的表型和机制

论文链接:

https://academic.oup.com/proteincell/advance-article/doi/10.1093/procel/pwac061/6839274

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