骨骼肌是執(zhí)行機(jī)體運(yùn)動(dòng)功能的主要組織器官之一。與衰老相關(guān)的骨骼肌質(zhì)量和功能減退被稱為肌肉減少癥（Sarcopenia，肌少癥），這種疾病將導(dǎo)致老年人運(yùn)動(dòng)能力、平衡能力等身體機(jī)能的顯著下降，進(jìn)而增加虛弱、跌倒、殘疾甚至死亡的風(fēng)險(xiǎn)。此外，骨骼肌分泌的肌源因子會(huì)對(duì)全身產(chǎn)生系統(tǒng)性影響，對(duì)于維持機(jī)體的穩(wěn)態(tài)和健康具有重要作用。因此，深入了解骨骼肌穩(wěn)態(tài)維持及衰老驅(qū)動(dòng)的機(jī)制具有重要的科學(xué)和臨床意義。然而，由于骨骼肌組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和肌纖維組成的異質(zhì)性，傳統(tǒng)的研究手段難以揭示骨骼肌中多核肌纖維細(xì)胞的特征性變化，目前人們對(duì)骨骼肌衰老機(jī)制的認(rèn)識(shí)還十分有限，阻礙了相關(guān)干預(yù)手段的開發(fā)。
近日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所劉光慧研究組、曲靜研究組，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院王思課題組以及中科院北京基因組研究所張維綺課題組合作，在Protein & Cell上在線發(fā)表了題為Single-nucleus profiling unveils a geroprotective role of the FOXO3 in primate skeletal muscle aging的研究論文。該研究通過系統(tǒng)解析靈長(zhǎng)類骨骼肌的衰老表型并繪制單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示了FOXO3作為維持骨骼肌穩(wěn)態(tài)的樞紐轉(zhuǎn)錄因子，在拮抗人類骨骼肌衰老中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為進(jìn)一步開發(fā)針對(duì)骨骼肌衰老的診斷和干預(yù)策略提供了理論基礎(chǔ)。
研究人員通過對(duì)年輕和年老的食蟹猴骨骼肌進(jìn)行組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了骨骼肌衰老過程出現(xiàn)肌纖維萎縮、快肌減少、慢肌增多、肌肉干細(xì)胞減少、肌間脂質(zhì)積累、神經(jīng)肌肉接頭受損、凋亡增加、核纖層加速丟失、核內(nèi)異染色質(zhì)損耗等一系列衰老特征。為了在單細(xì)胞分辨率解析靈長(zhǎng)類骨骼肌衰老的細(xì)胞分子變化規(guī)律，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了食蟹猴骨骼肌衰老的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組圖譜，系統(tǒng)揭示了骨骼肌組織中存在的14種細(xì)胞核類型，包括I型慢肌纖維、IIA型快肌纖維、IIX型快肌纖維、神經(jīng)肌肉接頭突觸后肌纖維等4種來自多核肌纖維的細(xì)胞核，以及肌肉干細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、肌腱成纖維細(xì)胞、成纖維細(xì)胞/成纖維脂肪生成祖細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等肌間質(zhì)細(xì)胞。
盡管骨骼肌衰老過程中不同類型細(xì)胞的身份特征保持相對(duì)恒定，但特殊細(xì)胞群體的比例發(fā)生了變化，例如肌肉干細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的減少等。通過對(duì)轉(zhuǎn)錄噪音和衰老相關(guān)差異基因進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)骨骼肌纖維對(duì)衰老具有更高的易感性，主要反映為肌纖維具有較高的轉(zhuǎn)錄噪音以及衰老相關(guān)差異表達(dá)的基因。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO3在衰老的多種細(xì)胞（包括肌纖維細(xì)胞）中均出現(xiàn)下調(diào)變化。與骨骼肌衰老相關(guān)退行疾病數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)合分析表明，F(xiàn)OXO3與多種骨骼肌退行性疾病密切相關(guān)。此外，研究人員構(gòu)建了骨骼肌衰老的核心轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)，也發(fā)現(xiàn)FOXO3在下調(diào)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中處于核心位置。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明了FOXO3在食蟹猴骨骼肌組織和人類骨骼肌樣本中均呈現(xiàn)出增齡伴隨的蛋白質(zhì)水平下調(diào)，提示衰老過程中FOXO3蛋白的活力降低是靈長(zhǎng)類骨骼肌衰老的共性特征。
為了深入探究FOXO3對(duì)人類骨骼肌衰老的潛在調(diào)控作用，研究人員建立了人多能干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化為肌管細(xì)胞的研究體系。研究發(fā)現(xiàn)，與衰老的人類骨骼肌組織類似，衰老的人肌管細(xì)胞中FOXO3的表達(dá)水平也發(fā)生下調(diào)。此外，敲低或敲除FOXO3的人肌管細(xì)胞也表現(xiàn)為一系列衰老相關(guān)表型，包括肌管直徑減小和衰老標(biāo)志物增加。進(jìn)而，研究人員通過基因編輯產(chǎn)生了內(nèi)源FOXO3激活的遺傳增強(qiáng)型人類肌管細(xì)胞，并證明了主動(dòng)增加FOXO3的活力可顯著延緩人類肌管細(xì)胞的衰老。
該研究首次繪制了靈長(zhǎng)類骨骼肌衰老的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組圖譜，系統(tǒng)解析了不同類型骨骼肌細(xì)胞隨增齡發(fā)生的特異性分子變化規(guī)律；結(jié)合人類肌管衰老的研究體系，揭示了長(zhǎng)壽蛋白FOXO3在拮抗人類骨骼肌衰老中的重要作用。這項(xiàng)研究為理解人類骨骼肌衰老的分子機(jī)制、診斷和治療骨骼肌衰老及相關(guān)疾病提供了理論依據(jù)。
相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、北京市等項(xiàng)目的資助。
靈長(zhǎng)類骨骼肌衰老的表型和機(jī)制
來源：中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所
