中山大学/Sanger研究院构建骨骼肌的细胞图谱

骨骼肌衰老是造成老年人虚弱和肌肉减少症的一个关键因素。近日，中山大学和Wellcome Sanger研究院领导的研究团队通过构建年轻人和老年人骨骼肌样本的细胞图谱，发现了与肌肉衰老相关的基因表达和细胞类型转变。

这项题为“Human skeletal muscle aging atlas”的成果于2024年4月15日发表在《Nature Aging》杂志上。它强调了炎症和肌肉干细胞在衰老中的潜在作用。同时，这张图谱还揭示了慢肌纤维表达和神经-肌肉通讯的一些变化，以抵消与年龄相关的快肌纤维损失。

共同通讯作者、中山大学中山医学院的张宏波教授表示：“在中国、英国以及其他国家，我们都面临人口老龄化的问题，但我们对衰老过程本身的了解还很有限。如今我们能够更深入地了解肌肉如何尽可能长时间地维持功能。”

骨骼肌占我们体重的40%，对运动至关重要。骨骼肌的主要组成部分为多核肌纤维（MF），可分为慢肌纤维（slow-twitch）和快肌纤维（fast-twitch）。慢肌纤维是为耐力活动而设计的，而快肌纤维则适合进行需要爆发力的运动。肌纤维也被单核肌肉干细胞（MuSC）包围，以便在损伤后产生新的肌肉。

随着年龄的增长，我们的肌肉逐渐变弱，这会影响我们的日常活动，如站立和行走。对一些人来说，肌肉损失的情况更加严重，导致跌倒和行动不便。

“骨骼肌衰老的特点是肌肉量和力量同时丧失，往往会引起肌肉减少症，”作者写道。“这是导致老年人跌倒和骨折的一个主要因素，也是导致其受伤和死亡的第二大原因。”然而，我们对肌肉衰老的机制仍不清楚。

作为人类细胞图谱（Human Cell Atlas）计划中的一部分，中英两国的研究人员利用10x Genomics的Chromium单细胞分析平台来评估17名供者的肋间骨骼肌样本，其中包括8名年轻供者（年龄在20-40岁）和9名老年供者（年龄在60-75岁）。

由于肌纤维仅由一个细胞组成，但有多个细胞核，这给研究带来了独特的挑战。研究人员采用单细胞和单细胞核RNA测序方法来解决这些挑战。单细胞RNA测序在分析肌纤维时有点困难，但单细胞核RNA测序可以关注分散在整个肌肉细胞中的多个细胞核。

利用这些样本，他们分析了92,259个细胞核和90,902个细胞的基因表达，提供了肌肉衰老的线索。同时，他们还分析了5只幼龄小鼠和3只老龄小鼠的数万个肌肉细胞的单细胞或单细胞核表达数据。

结果显示，在衰老样本的肌肉干细胞中，参与核糖体产生的基因活性下降。随着年龄的增长，这破坏了细胞修复和再生肌肉纤维的能力。此外，骨骼肌样本中的非肌肉细胞群产生了更多的促炎分子CCL2，将免疫细胞吸引到肌肉中，加剧了与年龄相关的肌肉退化。

“在MuSC区室中，我们发现核糖体组装的下调导致MuSC激活减少，以及NF-κB等促炎通路上调，和CCL2等细胞因子表达增加，”作者写道。“在MF微环境中，我们发现几种细胞类型表达促炎趋化因子，比如CCL2、CCL3和CCL4。这些细胞因子可能将淋巴样细胞招募到肌肉，并介导衰老肌肉的促炎环境。”

研究人员还观察到，随着年龄的增长，慢肌纤维的基因表达谱发生了改变，更接近于快肌纤维中的表达模式。同样地，他们还发现老年人的快肌纤维再生能力有所提高，这可能有助于应对与年龄有关的快肌纤维减少。

共同第一作者、Wellcome Sanger研究院的Veronika Kedlian称："随着年龄的增长，我们会失去一种特定类型的肌纤维（快肌纤维），而与这些肌纤维相关的基因在另一种类型的肌纤维（慢肌纤维）中增加。"她指出，肌纤维的核 "具有不同的状态，它们的变化并不总是与肌纤维本身的变化保持一致"。

研究团队还在肌肉纤维中发现了特化的细胞核群，它们有助于重建神经与肌肉之间的连接。这表明随着年龄的增长，神经-肌肉连接日益丧失，神经和肌肉细胞之间可能存在之前未被发现的通讯机制。

共同通讯作者、Wellcome Sanger研究院的细胞遗传学负责人Sarah Teichmann表示：“有了这些关于健康骨骼肌衰老的新见解，全世界的研究人员现在可以探索抗击炎症、促进肌肉再生和保护神经连接的方法。这样的成果对于开发治疗策略来促进健康老龄化具有重大意义。”