Nature：揭示肌肉老化的分子秘密：细胞间交流与干细胞在肌肉衰退中的作用

引言

骨骼肌作为人体中最大的组织之一，其功能的衰退与老年人的脆弱性和死亡率密切相关。骨骼肌的质量和功能的损失，即肌肉萎缩（sarcopenia），被认为是老年人健康衰退的一个重要催化剂。肌肉萎缩不仅影响了个体的运动功能，还可能加速了其他系统性健康问题的发展。

4月22日发表于Nature的研究“Multimodal cell atlas of the ageing human skeletal muscle”重点关注了随着年龄增长，骨骼肌的多模态单细胞图谱。该研究通过单细胞转录组学（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）、单核转录组学（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）和单核染色质可及性测序（single-nucleus assay for transposase-accessible chromatin using sequencing, snATAC-seq）技术，对来自不同年龄段（15至99岁）和不同健康状态的个体的人类四肢骨骼肌细胞进行了综合性的表征。

通过对31位参与者（包括来自西班牙和中国的17名男性和14名女性）的肌肉活检样本进行分析，研究小组构建了一个包括387,000多个细胞/核的数据集。通过对这些数据的深入分析，揭示了随着年龄增长，骨骼肌中的细胞组成和表观遗传特征的变化，尤其是在细胞多样性和染色质可及性方面。

研究发现，随着年龄的增长，肌肉干细胞（muscle stem cells, MuSCs）和纤维脂肪前体细胞（fibro-adipogenic progenitors, FAPs）等支持细胞的数量和功能发生显著变化。这些变化影响了肌肉的再生能力，尤其是在老年群体中更为显著。此外，随着年龄的增长，染色质可及性的变化揭示了与肌肉萎缩易感性相关的关键遗传元素，为未来针对性的干预提供了可能的靶点。

通过与遗传数据的交叉比较，研究还识别了在老年人中出现的新的细胞群体，并探索了这些细胞群体在转录组和表观遗传水平上的网络特征。这些发现不仅增进了我们对人类老化过程中骨骼肌变化的理解，也为开发新的治疗策略提供了科学依据。

总的来说，这项研究通过构建人类骨骼肌的详细单细胞图谱，为理解肌肉老化提供了宝贵的视角，并指明了潜在的治疗靶点，这对于推动健康老龄化的研究具有重要意义。

Highlights

肌肉干细胞（MuSCs）的变化

在老年肌肉中，特定类型的肌肉干细胞（MuSCs）的比例显著增加。例如，年轻成人组（median: 9.13%）中ENOX1+肌肉干细胞的比例显著高于老年成人组（4.21%） 。

老年成人中特定肌肉干细胞类型（如TNNT2+和DCLK1+）的比例分别为2.45%和2.27%，而年轻成人中几乎检测不到这些细胞（0.08%和0.27%） 。

细胞特异性和多细胞网络特征

研究通过单细胞转录组学和表观遗传学分析，发现在老年肌肉中出现了新的细胞群体，显示出与年轻肌肉中存在显著差异的细胞特异性和多细胞网络特征 。

基因调控网络的变化

在衰老过程中，与年轻肌肉相比，老年肌肉中肌肉干细胞的基因调控网络发生了显著变化。例如，年轻成人中MYOD和PAX7的基因表达水平高于老年成人，反映出肌肉再生能力的降低 。

细胞间通讯的变化

老年肌肉中的细胞间通讯网络（如Notch、IGF、BMP和Wnt信号通路）出现扰动，这可能影响细胞功能和组织的整体健康 。

Strategies

单细胞与单核心转录组测序（scRNA-seq & snRNA-seq）

研究团队采用了单细胞和单核RNA测序技术来分析细胞和核的异质性。他们对肌肉样本进行了处理，通过机械和酶解的方法分离出单细胞和单核，然后构建了scRNA-seq和snRNA-seq 文库 。

染色质可及性测序（ATAC-seq）

此外，研究中使用了单核ATAC测序（snATAC-seq）来评估基因表达调控区域的染色质开放性。这有助于理解转录调控网络如何随着年龄的增长而变化 。

数据处理和细胞分类

原始测序数据经过过滤和比对到人类参考基因组。然后，研究者使用了多种生物信息学工具（如Seurat和Scanpy）进行数据标准化、降维、批次效应校正和细胞分类。这些分析帮助揭示了不同细胞类型在衰老过程中的变化 。

细胞异质性和基因调控网络分析

研究团队分析了转录异质性和表观遗传异质性，以揭示衰老对细胞状态稳定性的影响。他们还构建了基因调控网络（GRNs），通过整合snRNA-seq和snATAC-seq数据来研究特定细胞类型的调控机制 。

细胞间通讯分析

使用CellChat等工具，研究团队探索了不同细胞类型之间的配体-受体相互作用，这有助于理解细胞如何在衰老过程中相互作用和通讯 。

Behind the Scenes

骨骼肌细胞组成的变化（Changes in Skeletal Muscle Cell Composition）

研究显示，人类的骨骼肌细胞组成随着年龄的增长发生显著变化，这些变化对肌肉的功能和老化过程有深远的影响。

肌肉干细胞（MuSCs）的减少

随着年龄的增长，肌肉干细胞（MuSCs），在数量上有显著减少。这些细胞是肌肉修复和再生的关键，它们存在于肌纤维的基底膜下。年轻人的肌肉组织中，MuSCs的数量和活性较高，能迅速响应伤害并促进肌肉的恢复。然而，在老年人中，MuSCs的数量可能减少高达30%以上。这一变化导致了肌肉修复能力的下降，增加了肌少症（sarcopenia）和肌肉功能衰退的风险。

非肌肉源性细胞的增加

与MuSCs数量的减少形成对比的是非肌肉源性细胞，如纤维细胞（fibroblasts）和炎症细胞的增加。这些细胞在维持组织结构和发炎反应中起着重要作用。研究表明，老年人肌肉中这些细胞类型的增加与慢性炎症状态有关，这种状态被称为“炎症老化”（inflammageing）。这些非肌肉源性细胞的增加可能会影响肌肉组织的整体构成和功能，促进纤维化过程，进一步影响肌肉的弹性和收缩能力。

MuSCs功能的衰退

剩余的MuSCs在老年人中显示出功能衰退的迹象。这些细胞表现出增加的慢性炎症和压力途径的激活，如核因子κB（NF-κB）和p38 MAP激酶途径的活化。这些信号途径的激活可能抑制MuSCs的增殖和分化能力，从而影响其在肌肉修复过程中的效能。此外，MuSCs的表观遗传变化，如DNA甲基化和组蛋白修饰的变化，也可能导致它们的功能随年龄而下降。

血管细胞和间充质细胞的角色变化

血管细胞和间充质细胞在维持血管健康和组织再生中起着关键作用。随着年龄的增长，这些细胞在老年人中的功能也发生了变化。特别是，间充质细胞的变化与血管完整性的破坏有关，这可能影响肌肉的血液供应和营养输送。研究表明，这些细胞在老年肌肉中表达更多的促炎和趋化因子，如肿瘤坏死因子α（TNF-α）和白细胞介素6（IL-6），这进一步促进了炎症环境的形成。

转录组和表观遗传组异质性分析（Transcriptional and Epigenetic Heterogeneity Analysis）

该研究对老年人的骨骼肌细胞进行了详细的转录组和表观遗传组分析，揭示了细胞类型在表达水平和表观遗传标记上的变异性增加。这种异质性可能影响细胞的身份和功能，加速肌肉老化。

转录组异质性的增加

转录组分析（transcriptomic analysis）显示，老年骨骼肌中的细胞类型表达了更多变异性高的基因，这表明基因表达调控在老化过程中变得不稳定。例如，肌肉细胞中某些关键的调控基因如肌动蛋白（myosin）和肌球蛋白（actin）的表达模式显示出显著的分散性，这可能影响肌肉纤维的结构和功能。

表观遗传标记的变化

在表观遗传层面，老年肌肉细胞展示了更加复杂的DNA甲基化（DNA methylation）和组蛋白修饰（histone modification）模式。研究中发现，与年轻细胞相比，老年细胞中静默基因的表观遗传标记增多，这可能导致某些重要基因的表达被错误地关闭，进而影响细胞功能和再生能力。

异质性与细胞功能衰退的关联

增加的异质性不仅反映了个体基因表达的变异性，也可能与细胞功能的衰退相关。例如，研究指出老年人的MuSCs显示出不同的增殖和分化能力，这与这些细胞中观察到的表达水平和表观遗传标记的不一致性有关。这种功能上的不一致性可能是由于表达模式的变异性和表观遗传标记的改变共同作用的结果。

老化与表观遗传调控

表观遗传调控（epigenetic regulation）的改变被认为是老化过程中的一个关键机制。肌肉细胞在老化过程中可能经历表观遗传重塑，这影响了它们的增殖、分化和应对外界压力的能力。特别是DNA甲基化和组蛋白乙酰化（histone acetylation）的改变，被认为是调节老化相关基因表达的关键方式。

肌肉功能和炎症的相互作用（Interaction of Muscle Function and Inflammation）

该研究揭示了肌肉功能衰退和炎症之间的复杂相互作用，特别是在老年人中。这种现象，常被称为“炎症老化”（inflammageing），是指随着年龄增长，慢性炎症水平的上升，这对肌肉功能有着显著的负面影响。

炎症因子的增加与肌肉功能的衰退

随着年龄的增长，肌肉组织中炎症因子，如肿瘤坏死因子α（TNF-α）和白细胞介素6（IL-6），的表达水平显著增加。这些细胞因子是由肌肉中的免疫细胞以及其他非肌肉细胞如脂肪细胞产生的。例如，老年人肌肉组织中IL-6的水平可以是年轻人的两倍。这些炎症因子通过激活炎症途径和促进蛋白质降解，直接影响肌肉纤维的结构和功能，导致肌力和耐力下降。

炎症与肌肉再生的抑制

炎症环境还抑制了肌肉再生的关键过程。肌肉干细胞（MuSCs）在修复损伤肌肉和促进新肌纤维形成中起着核心作用。研究发现，高水平的炎症因子可以抑制MuSCs的增殖和分化能力，从而降低肌肉的再生能力。例如，TNF-α被发现可以抑制MuSCs的分化，阻碍肌肉纤维的形成和恢复。

炎症与肌肉组织的改变

长期的炎症反应不仅影响肌肉细胞的功能，还促进肌肉组织结构的改变。这包括纤维化过程的增强，即结缔组织代替正常肌肉纤维的现象，这影响肌肉的弹性和功能。炎症因子如IL-6和TNF-α能够促进胶原蛋白的沉积，导致肌肉硬化和强度减少。

老化、炎症与系统性影响

这些局部的炎症反应还可能对整个身体产生系统性影响，包括影响代谢和免疫系统的功能。慢性炎症与多种老年性疾病的发生密切相关，如心血管疾病和糖尿病。因此，管理和减轻老年人的炎症状态对维持整体健康和功能有着重要意义。

潜在的局限性

样本规模的限制（Limited Sample Size）

该研究中的样本数量相对较小，尤其是涉及老年人的数量。虽然研究包括了不同年龄和性别的个体，但较小的样本规模可能限制了统计分析的功效和结论的普遍性。此外，样本规模的限制也可能影响到研究结果的重复性和可验证性。

种族和地理多样性的缺乏（Lack of Racial and Geographic Diversity）

研究主要关注的是特定地区的个体，可能没有充分考虑到种族和地理背景的多样性。这限制了研究结果的普适性，因为不同种族和地理背景的个体可能在基因、环境和生活方式等方面存在差异，这些因素都可能影响骨骼肌的老化过程和炎症响应。

数据解读的复杂性（Complexity of Data Interpretation）

该研究涉及复杂的生物信息学分析，包括转录组（transcriptomics）和表观遗传学（epigenetics）数据。尽管这些分析提供了大量信息，但解释这些数据需要高度专业的知识和技术。因此，数据解释的复杂性可能限制了研究的透明度和其他研究者复现结果的能力。

未涉及的生理和环境因素（Unaddressed Physiological and Environmental Factors）

该研究未能详尽考虑所有可能影响骨骼肌功能和老化的生理和环境因素。例如，营养状况、体力活动水平和慢性疾病的影响等因素在老年人群体中尤为重要，但这些因素在研究中可能没有得到充分的控制或考虑。

长期追踪数据的缺乏（Lack of Longitudinal Data）

大多数数据是横断面研究得出的，缺乏长期追踪老年人骨骼肌变化的数据。长期数据对于理解肌肉老化的动态过程及其与炎症之间的相互作用非常重要。没有这些数据，研究可能无法完全揭示肌肉老化和功能衰退的长期趋势和机制。

潜在的研究方向

整合和扩展单细胞多组学数据 (Integration and Expansion of Single-cell Multiomics)

未来研究可扩大队列规模和来自不同来源的肌肉样本，使用单细胞多组学和高清晰度空间解析技术。这可能揭示在目前研究中未注意到的种族和性别组的差异 。

人体肌肉衰老细胞图谱的在线互动平台 (Online Interactive Platform for Human Muscle Aging Cell Atlas)

通过人体肌肉衰老细胞图谱的在线互动平台，进一步探索可能为减缓或甚至阻断衰老、虚弱和残疾的机会，促进老年人体健康的更长时间维持及提升寿命 。

系统炎症与肌肉功能下降的联系 (Link Between Systemic Inflammation and Muscle Function Decline)

研究肌肉细胞与单核细胞在微环境中的关系失调，以及纤维化和再生信号之间的不平衡如何成为老年肌肉功能障碍的主要原因。此外，与全基因组关联研究数据集的比较还可以使我们能够识别不同细胞类型的基因组架构与肌少症的遗传易感性之间的潜在关系 。

肌肉干细胞(MuSCs)的衰老与早期激活 (Aging and Premature Priming of Muscle Stem Cells, MuSCs)

探索MuSCs在伤害后从静止状态过渡到激活状态的能力如何随年龄的增长而显著减少，并研究与此相关的分子机制。这可能涉及单细胞分离中的应激反应，以及如何通过使用单核RNA测序数据来克服这些挑战 。

原文链接

Lai Y, Ramírez-Pardo I, Isern J, An J, Perdiguero E, Serrano AL, Li J, García-Domínguez E, Segalés J, Guo P, Lukesova V, Andrés E, Zuo J, Yuan Y, Liu C, Viña J, Doménech-Fernández J, Gómez-Cabrera MC, Song Y, Liu L, Xu X, Muñoz-Cánoves P, Esteban MA. Multimodal cell atlas of the ageing human skeletal muscle. Nature. 2024 Apr 22. doi: 10.1038/s41586-024-07348-6. Epub ahead of print. PMID: 38649488.

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07348-6