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随着社会发展、医疗条件和养老制度的逐步完善,全球人口平均寿命逐渐延长,随之而来的是人口老龄化问题越来越严重。这是人类社会发展的共同趋势，也是我国今后较长时期的基本国情。在老年群体中，普遍存在着慢性病、骨关节疾病、肌少症以及临床上未分化疾病（MUPS）等各类健康问题。 肌肉减少症是一类骨骼肌进行性丢失的综合征，表征为肌肉强度下降、体力和功能障碍等。其概念可延伸到除临床症状以外的胞内过程，包括肌肉促合成代谢因子的减少以及炎性介质等促分解代谢因子的高表达等。可增加老人跌倒、骨折和其他慢性疾病的发生风险。 破译肌肉减少症的分子机制对理解人类衰老具有重要意义。不过，由于在表征骨骼肌生态位异质性(以肌纤维为多)和获得良好的人类样本方面存在困难，有关肌少症生化机制的研究一直以来进展缓慢。 2024年4月22日，杭州华大生命科学研究院联合西班牙庞培法布拉大学、广东药科大学第一附属医院、中国科学院广州生物医药与健康研究院、广州医科大学附属第五医院以及Altos labs等国内外研究团队，在《Nature》杂志上发布了一篇名为《Multimodal cell atlas of the ageing human skeletal muscle》的文章，涵盖了不同健康和虚弱水平的人类肢体骨骼肌的单细胞/单核转录组学和染色质可及性图谱。该项研究揭示了肌肉老化的奥秘，为确定骨骼肌中适合晚年医疗、药物和生活方式干预的靶点提供了基础。（图1）  研究人员收集了来自西班牙和中国的31位参与者的下肢肌肉活检，对整个样品进行了单核RNA测序（snRNA-seq）和染色质转座酶可及性测序（snATAC-seq）分析，并对分离的单核细胞进行了单细胞 RNA 测序 （scRNA-seq），得到的整个数据集包含22个个体的387,444个细胞核/细胞。 通过对数据集进行一系列分析，详细描述了细胞的类型以及根据临床条件变化而出现的细胞比例变化。在细胞衰老过程中，肌核（特别是II型肌纤维、MuSCs和周细胞）减少，脂肪细胞、成纤维细胞样细胞和免疫细胞增加。值得注意的是，研究人员注意到多数细胞类型在单个细胞/细胞核之间表现出增加的转录异质性，这是衰老的一个新特征，表观遗传不稳定性的增加可能促进细胞身份漂移。（图2）  剖析了不同年龄肌核的异质性，表明衰老导致II型肌核普遍减少，同时两性I型肌核相对增加，这转化为肌纤维的结构变化，变化程度与个体年龄高度相关。 进一步的snRNA-seq亚聚类发现，在两种主要肌纤维类型中，存在肌腱连接和NMJ特化的肌核。此外，亚聚类确定了成人或老年肌肉中富含的其他群体。例如，II型肌纤维特异性的ENOX1+肌核在成人组中富集。相比之下，TNNT2+、ID1+、DCLK1+和SAA2+肌核在老年组中富集。 与NADPH氧化酶在骨骼肌中的保护作用一致,ENOX1+ 肌核可能代表健康的II型肌纤维群体，快速收缩所需的碳水化合物代谢相关基因的高表达现象支持了这一点。 修复型 (ID1+,和DCLK1+ ) 机核和退变型 (TNNT2+和 SAA2+ ) 等新型肌纤维亚型在衰老中的涌现，研究人员借助染色质开放组学数据构建了肌纤维衰老的基因调控网络。这些变化可能代表了机体对衰老的补偿机制，也可能是老年性肌少症发生的潜在因素。（图3）  为了研究肌纤维转录变异的方向性，研究人员分析了伪时间细胞轨迹，观察了I型和II型肌核衰老的明确路径。这些肌核的轨迹终点对应于主要出现在老年肌肉中的新群体的转录谱。值得注意的是，I型肌核的衰老轨迹是渐进的，而II型肌核的轨迹是迅速的。 这种差异与II型肌纤维对老化的更敏感性相吻合，这导致它们优先丧失。相比之下，I型肌纤维在老化的肌肉中持续存在，并积累渐进性损伤，随着时间的推移进一步加剧肌肉功能障碍。（图4）  值得注意的是，研究人员发现，在衰老轨迹的晚期，I型肌核的糖酵解上调。 这可能反映了慢肌纤维的代偿性重排，以防止肌肉容量的丧失并在持续收缩期间产生能量，使得更耐受衰老导致的应激。 随着年龄增长，肌肉干细胞在损伤时从静态转变为组织修复激活态的能力大大降低。研究人员利用snRNA-seq数据，将标记物在不同状态下进行细分，描述了不同MuSC亚型。 研究人员通过单细胞核转录组测序发现，静息态肌肉干细胞在衰老肌肉中减少，而始发态肌肉干细胞增加（FOS+），导致它们无法有效增殖和分化，这也可能是衰老中肌肉干细胞耗竭的机制之一。（图5）  衰老过程中，内皮细胞发生了明显改变，促炎和趋化信号增加，而免疫细胞数量增多并启动炎症程序。此外，成纤维/成脂肪祖细胞群体在衰老过程中从促进再生的表型转变为促进纤维化的表型，并伴随着成熟脂肪细胞数量的增加。这些变化可能使肌肉在遭受明显损伤时更容易发生细胞衰老，并可能促进全身性炎症和加速老年人整体身体功能的衰退。 组织内的细胞通过精心设计的电路相互通信，人类骨骼肌生态位中的细胞间串扰如何受到衰老的影响在很大程度上尚不清楚。为了以综合的方式研究这一点，研究人员使用CellChat进行分析。 发现随着年龄的增长，单核细胞间的配体-受体相互作用显著增加。这些交流的增强可能与老年肌肉中的炎症、细胞外基质（ECM）沉积和多种信号通路失调有关。特别是，老年肌肉中FAPs特性的转变可能ECM的过度沉积有关，这导致了肌肉功能的损害。此外研究人员还发现了促肌萎缩TGFb、Activin信号通路在衰老的上调，并发现了Wnt信号通路在衰老肌肉中的减退。（图6）  研究人员表示，此项目的集成数据集为在细胞水平上解释肌少症相关基因变异影响提供了宝贵的机会。聚合来自不同细胞类型和年龄组的细胞核片段，表现出表观遗传改变可能是肌肉老化和肌肉减少症的重要驱动因素。通过与遗传数据的交叉比较，识别了染色质结构中与肌肉减少症易感性相关的细胞特异性位点。这些发现为未来在老年性肌少症的诊断和治疗提供新的靶点。（图7）  研究人员表示，他们的人类骨骼肌老化的参考图谱为老年人肌肉减少症和虚弱发展的增加提供了一系列令人信服的综合细胞和分子解释。可以为减缓甚至阻止老年人的肌肉减少症、虚弱和残疾提供一个机会之窗，促进更健康的身体衰老和延长寿命。除了衰老领域外，该图谱还将为未来神经肌肉疾病患者的研究提供重要参考。 DOI：https:///10.1038/s41586-024-07348-6 |
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