引言
骨骼肌作為人體中最大的組織之一，其功能的衰退與老年人的脆弱性和死亡率密切相關。骨骼肌的品質和功能的損失，即肌肉萎縮（sarcopenia），被認為是老年人健康衰退的一個重要催化劑。肌肉萎縮不僅影響了個體的運動功能，還可能加速了其他系統性健康問題的發展。4月22日發表于Nature的研究“Multimodal cell atlas of the ageing human skeletal muscle”重點關注了随着年齡增長，骨骼肌的多模态單細胞圖譜。該研究通過單細胞轉錄組學（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）、單核轉錄組學（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）和單核染色質可及性測序（single-nucleus assay for transposase-accessible chromatin using sequencing, snATAC-seq）技術，對來自不同年齡段（15至99歲）和不同健康狀态的個體的人類四肢骨骼肌細胞進行了綜合性的表征。通過對31位參與者（包括來自西班牙和中國的17名男性和14名女性）的肌肉活檢樣本進行分析，研究小組建構了一個包括387,000多個細胞/核的資料集。通過對這些資料的深入分析，揭示了随着年齡增長，骨骼肌中的細胞組成和表觀遺傳特征的變化，尤其是在細胞多樣性和染色質可及性方面。研究發現，随着年齡的增長，肌肉幹細胞（muscle stem cells, MuSCs）和纖維脂肪前體細胞（fibro-adipogenic progenitors, FAPs）等支援細胞的數量和功能發生顯著變化。這些變化影響了肌肉的再生能力，尤其是在老年群體中更為顯著。此外，随着年齡的增長，染色質可及性的變化揭示了與肌肉萎縮易感性相關的關鍵遺傳元素，為未來針對性的幹預提供了可能的靶點。通過與遺傳資料的交叉比較，研究還識别了在老年人中出現的新的細胞群體，并探索了這些細胞群體在轉錄組和表觀遺傳水準上的網絡特征。這些發現不僅增進了我們對人類老化過程中骨骼肌變化的了解，也為開發新的治療政策提供了科學依據。總的來說，這項研究通過建構人類骨骼肌的詳細單細胞圖譜，為了解肌肉老化提供了寶貴的視角，并指明了潛在的治療靶點，這對于推動健康老齡化的研究具有重要意義。
Highlights
肌肉幹細胞（MuSCs）的變化在老年肌肉中，特定類型的肌肉幹細胞（MuSCs）的比例顯著增加。例如，年輕成人組（median: 9.13%）中ENOX1+肌肉幹細胞的比例顯著高于老年成人組（4.21%） 。老年成人中特定肌肉幹細胞類型（如TNNT2+和DCLK1+）的比例分别為2.45%和2.27%，而年輕成人中幾乎檢測不到這些細胞（0.08%和0.27%） 。
細胞特異性和多細胞網絡特征研究通過單細胞轉錄組學和表觀遺傳學分析，發現在老年肌肉中出現了新的細胞群體，顯示出與年輕肌肉中存在顯著差異的細胞特異性和多細胞網絡特征 。
基因調控網絡的變化在衰老過程中，與年輕肌肉相比，老年肌肉中肌肉幹細胞的基因調控網絡發生了顯著變化。例如，年輕成人中MYOD和PAX7的基因表達水準高于老年成人，反映出肌肉再生能力的降低 。
細胞間通訊的變化老年肌肉中的細胞間通訊網絡（如Notch、IGF、BMP和Wnt信号通路）出現擾動，這可能影響細胞功能群組織的整體健康 。
Strategies
單細胞與單核心轉錄組測序（scRNA-seq & snRNA-seq）研究團隊采用了單細胞和單核RNA測序技術來分析細胞和核的異質性。他們對肌肉樣本進行了處理，通過機械和酶解的方法分離出單細胞和單核，然後建構了scRNA-seq和snRNA-seq 文庫 。
染色質可及性測序（ATAC-seq）此外，研究中使用了單核ATAC測序（snATAC-seq）來評估基因表達調控區域的染色質開放性。這有助于了解轉錄調控網絡如何随着年齡的增長而變化 。
資料處理和細胞分類原始測序資料經過過濾和比對到人類參考基因組。然後，研究者使用了多種生物資訊學工具（如Seurat和Scanpy）進行資料标準化、降維、批次效應校正和細胞分類。這些分析幫助揭示了不同細胞類型在衰老過程中的變化 。
細胞異質性和基因調控網絡分析研究團隊分析了轉錄異質性和表觀遺傳異質性，以揭示衰老對細胞狀态穩定性的影響。他們還建構了基因調控網絡（GRNs），通過整合snRNA-seq和snATAC-seq資料來研究特定細胞類型的調控機制 。
細胞間通訊分析使用CellChat等工具，研究團隊探索了不同細胞類型之間的配體-受體互相作用，這有助于了解細胞如何在衰老過程中互相作用和通訊 。
Behind the Scenes
骨骼肌細胞組成的變化（Changes in Skeletal Muscle Cell Composition）研究顯示，人類的骨骼肌細胞組成随着年齡的增長發生顯著變化，這些變化對肌肉的功能和老化過程有深遠的影響。
肌肉幹細胞（MuSCs）的減少随着年齡的增長，肌肉幹細胞（MuSCs），在數量上有顯著減少。這些細胞是肌肉修複和再生的關鍵，它們存在于肌纖維的基底膜下。年輕人的肌肉組織中，MuSCs的數量和活性較高，能迅速響應傷害并促進肌肉的恢複。然而，在老年人中，MuSCs的數量可能減少高達30%以上。這一變化導緻了肌肉修複能力的下降，增加了肌少症（sarcopenia）和肌肉功能衰退的風險。
非肌肉源性細胞的增加與MuSCs數量的減少形成對比的是非肌肉源性細胞，如纖維細胞（fibroblasts）和發炎細胞的增加。這些細胞在維持組織結構和發炎反應中起着重要作用。研究表明，老年人肌肉中這些細胞類型的增加與慢性發炎狀态有關，這種狀态被稱為“發炎老化”（inflammageing）。這些非肌肉源性細胞的增加可能會影響肌肉組織的整體構成和功能，促進纖維化過程，進一步影響肌肉的彈性和收縮能力。
MuSCs功能的衰退剩餘的MuSCs在老年人中顯示出功能衰退的迹象。這些細胞表現出增加的慢性發炎和壓力途徑的激活，如核因子κB（NF-κB）和p38 MAP激酶途徑的活化。這些信号途徑的激活可能抑制MuSCs的增殖和分化能力，進而影響其在肌肉修複過程中的效能。此外，MuSCs的表觀遺傳變化，如DNA甲基化群組蛋白修飾的變化，也可能導緻它們的功能随年齡而下降。
血管細胞和間充質細胞的角色變化血管細胞和間充質細胞在維持血管健康群組織再生中起着關鍵作用。随着年齡的增長，這些細胞在老年人中的功能也發生了變化。特别是，間充質細胞的變化與血管完整性的破壞有關，這可能影響肌肉的血液供應和營養輸送。研究表明，這些細胞在老年肌肉中表達更多的促炎和趨化因子，如惡性良性腫瘤壞死因子α（TNF-α）和白細胞介素6（IL-6），這進一步促進了發炎環境的形成。
轉錄組和表觀遺傳組異質性分析（Transcriptional and Epigenetic Heterogeneity Analysis）該研究對老年人的骨骼肌細胞進行了詳細的轉錄組和表觀遺傳組分析，揭示了細胞類型在表達水準和表觀遺傳标記上的變異性增加。這種異質性可能影響細胞的身份和功能，加速肌肉老化。
轉錄組異質性的增加轉錄組分析（transcriptomic analysis）顯示，老年骨骼肌中的細胞類型表達了更多變異性高的基因，這表明基因表達調控在老化過程中變得不穩定。例如，肌肉細胞中某些關鍵的調控基因如肌動蛋白（myosin）和肌球蛋白（actin）的表達模式顯示出顯著的分散性，這可能影響肌肉纖維的結構和功能。
表觀遺傳标記的變化在表觀遺傳層面，老年肌肉細胞展示了更加複雜的DNA甲基化（DNA methylation）群組蛋白修飾（histone modification）模式。研究中發現，與年輕細胞相比，老年細胞中靜默基因的表觀遺傳标記增多，這可能導緻某些重要基因的表達被錯誤地關閉，進而影響細胞功能和再生能力。
異質性與細胞功能衰退的關聯增加的異質性不僅反映了個體基因表達的變異性，也可能與細胞功能的衰退相關。例如，研究指出老年人的MuSCs顯示出不同的增殖和分化能力，這與這些細胞中觀察到的表達水準和表觀遺傳标記的不一緻性有關。這種功能上的不一緻性可能是由于表達模式的變異性和表觀遺傳标記的改變共同作用的結果。
老化與表觀遺傳調控表觀遺傳調控（epigenetic regulation）的改變被認為是老化過程中的一個關鍵機制。肌肉細胞在老化過程中可能經曆表觀遺傳重塑，這影響了它們的增殖、分化和應對外界壓力的能力。特别是DNA甲基化群組蛋白乙酰化（histone acetylation）的改變，被認為是調節老化相關基因表達的關鍵方式。
肌肉功能和發炎的互相作用（Interaction of Muscle Function and Inflammation）該研究揭示了肌肉功能衰退和發炎之間的複雜互相作用，特别是在老年人中。這種現象，常被稱為“發炎老化”（inflammageing），是指随着年齡增長，慢性發炎水準的上升，這對肌肉功能有着顯著的負面影響。
發炎因子的增加與肌肉功能的衰退随着年齡的增長，肌肉組織中發炎因子，如惡性良性腫瘤壞死因子α（TNF-α）和白細胞介素6（IL-6），的表達水準顯著增加。這些細胞因子是由肌肉中的免疫細胞以及其他非肌肉細胞如脂肪細胞産生的。例如，老年人肌肉組織中IL-6的水準可以是年輕人的兩倍。這些發炎因子通過激活發炎途徑和促進蛋白質降解，直接影響肌肉纖維的結構和功能，導緻肌力和耐力下降。
發炎與肌肉再生的抑制發炎環境還抑制了肌肉再生的關鍵過程。肌肉幹細胞（MuSCs）在修複損傷肌肉和促進新肌纖維形成中起着核心作用。研究發現，高水準的發炎因子可以抑制MuSCs的增殖和分化能力，進而降低肌肉的再生能力。例如，TNF-α被發現可以抑制MuSCs的分化，阻礙肌肉纖維的形成和恢複。
發炎與肌肉組織的改變長期的發炎反應不僅影響肌肉細胞的功能，還促進肌肉組織結構的改變。這包括纖維化過程的增強，即結締組織代替正常肌肉纖維的現象，這影響肌肉的彈性和功能。發炎因子如IL-6和TNF-α能夠促進膠原蛋白的沉積，導緻肌肉硬化和強度減少。
老化、發炎與系統性影響這些局部的發炎反應還可能對整個身體産生系統性影響，包括影響代謝和免疫系統的功能。慢性發炎與多種老年性疾病的發生密切相關，如心血管疾病和糖尿病。是以，管理和減輕老年人的發炎狀态對維持整體健康和功能有着重要意義。
潛在的局限性樣本規模的限制（Limited Sample Size）該研究中的樣本數量相對較小，尤其是涉及老年人的數量。雖然研究包括了不同年齡和性别的個體，但較小的樣本規模可能限制了統計分析的功效和結論的普遍性。此外，樣本規模的限制也可能影響到研究結果的重複性和可驗證性。
種族和地理多樣性的缺乏（Lack of Racial and Geographic Diversity）研究主要關注的是特定地區的個體，可能沒有充分考慮到種族和地理背景的多樣性。這限制了研究結果的普适性，因為不同種族和地理背景的個體可能在基因、環境和生活方式等方面存在差異，這些因素都可能影響骨骼肌的老化過程和發炎響應。
資料解讀的複雜性（Complexity of Data Interpretation）該研究涉及複雜的生物資訊學分析，包括轉錄組（transcriptomics）和表觀遺傳學（epigenetics）資料。盡管這些分析提供了大量資訊，但解釋這些資料需要高度專業的知識和技術。是以，資料解釋的複雜性可能限制了研究的透明度和其他研究者複現結果的能力。
未涉及的生理和環境因素（Unaddressed Physiological and Environmental Factors）該研究未能詳盡考慮所有可能影響骨骼肌功能和老化的生理和環境因素。例如，營養狀況、體力活動水準和慢性疾病的影響等因素在老年人群體中尤為重要，但這些因素在研究中可能沒有得到充分的控制或考慮。
長期追蹤資料的缺乏（Lack of Longitudinal Data）大多數資料是橫斷面研究得出的，缺乏長期追蹤老年人骨骼肌變化的資料。長期資料對于了解肌肉老化的動态過程及其與發炎之間的互相作用非常重要。沒有這些資料，研究可能無法完全揭示肌肉老化和功能衰退的長期趨勢和機制。
潛在的研究方向整合和擴充單細胞多組學資料 (Integration and Expansion of Single-cell Multiomics)未來研究可擴大隊列規模和來自不同來源的肌肉樣本，使用單細胞多組學和高清晰度空間解析技術。這可能揭示在目前研究中未注意到的種族和性别組的差異 。
人體肌肉衰老細胞圖譜的線上互動平台 (Online Interactive Platform for Human Muscle Aging Cell Atlas)通過人體肌肉衰老細胞圖譜的線上互動平台，進一步探索可能為減緩或甚至阻斷衰老、虛弱和殘疾的機會，促進老年人體健康的更長時間維持及提升壽命 。
系統發炎與肌肉功能下降的聯系 (Link Between Systemic Inflammation and Muscle Function Decline)研究肌肉細胞與單核細胞在微環境中的關系失調，以及纖維化和再生信号之間的不平衡如何成為老年肌肉功能障礙的主要原因。此外，與全基因組關聯研究資料集的比較還可以使我們能夠識别不同細胞類型的基因組架構與肌少症的遺傳易感性之間的潛在關系 。
肌肉幹細胞(MuSCs)的衰老與早期激活 (Aging and Premature Priming of Muscle Stem Cells, MuSCs)探索MuSCs在傷害後從靜止狀态過渡到激活狀态的能力如何随年齡的增長而顯著減少，并研究與此相關的分子機制。這可能涉及單細胞分離中的應激反應，以及如何通過使用單核RNA測序資料來克服這些挑戰 。
原文連結
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
責編|探索君
排版|探索君
轉載請注明來源于【生物探索】
End