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骨骼肌稳态失衡是骨骼肌疾病发病的重要机制。骨骼肌中的成体干细胞是维持骨骼肌稳态的核心组成部分。随着年龄的增长，人体肌肉体积减小，肌肉质量降低，功能下降。今天小编带大家看一项发表在《Genes & Diseases》的研究，为研究理解肌肉衰老提供了新的视角。
通过单核RNA测序技术（snRNA-seq），构建了小鼠脊椎旁肌肉的单细胞转录组图谱。
在卫星细胞中发现了与能量代谢相关的基因集，这可能对肌肉细胞的再生和修复至关重要。
骨髓肌中的干细胞——卫星细胞（SCs）在骨骼肌发育和衰老中扮演着重要角色。椎旁肌是骨骼肌的重要组成部分，是维持脊柱稳定性的重要结构。骨骼肌在发育和衰老过程中的细胞间相互作用仍不清楚，这阻碍了进一步的研究和应用。分析SCs在椎旁肌肉发育和衰老中的转录特征有助于理解其在骨骼肌发育和衰老中的重要作用。![]()
细胞类型注释和差异基因表达
为了阐明脊旁肌肉发育和衰老过程中不同细胞类型的转录组变化，基于snRNA-seq技术分析了在小鼠发育和衰老过程中采集的7个时间点的脊旁肌肉样本（如图1A所示）。对所有脊旁肌肉样本的质量控制产生了34,589个高质量细胞。然后根据文献进行细胞类型的生物学注释，比较了8种细胞类型之间的基因表达，并鉴定了不同细胞类型的差异表达基因(DEGs) 。![]()
图1 小鼠脊旁肌肉发育和衰老阶段单细胞转录组图谱的细胞类型注释
基因集功能富集
细胞死亡在骨骼肌发育和衰老中起着核心作用。为了评估注释细胞类型的潜在死亡相关生物学功能，研究收集了与程序性细胞死亡、凋亡、铁死亡、焦亡、衰老、自噬和炎症小体相关的基因集。为了探索可能参与骨骼肌发育和衰老的SCs基因，从文献中收集了390个与骨骼肌疾病相关的基因。大多数骨骼肌疾病与骨骼肌细胞发育和衰老异常有关。因此，将这些疾病相关基因与SC中显著上调的DEGs (logFC [fold change]≥2)取交集，得到42个可能影响SC发育和衰老的DEGs，这些基因随发育时间点的表达变化可分为两种模式(图2e)，且随时间变化趋势相似。
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图2 椎旁肌发育与衰老的基因集功能富集
骨骼肌是人体重要的能量代谢器官，三羧酸(TCA)循环是能量代谢的中心枢纽。因此，使用AUCell, UCell, singscore和ssGSEA来量化TCA 循环在衰老基因集中的表达水平，并观察它们在SCs中的表达随时间的变化。将42个与疾病相关的DEGs与TCA CYCLE IN SENESCENCE基因集取交集，得到一个基因Pdha1，其表达最初在胚胎阶段增加，随后逐渐下降，在出生后阶段稳定水平。卫星细胞发育
研究构建了SCs的伪时间轨迹，然后将E16.5、E17.5和P0细胞合并到胚胎阶段;M1、M6细胞进入年轻期;M12和M24细胞进入衰老阶段。SCs的伪时间轨迹与其实际发育阶段具有一致性。随后研究观察了 42 个 DEGs 在不同发育时间点上的表达趋势（图 3 E）。 总体而言，随着伪时间值的增加，基因表达水平逐渐降低，并维持在较低水平。![]()
图3 卫星细胞发育轨迹的单细胞轨迹分析
转录因子在SCs中的调控关系
研究在与SCs发育和衰老相关的DEGs中注释了TF家族的基因，下载了一个小鼠TF列表，并将其与42个与疾病相关的DEGs取交集，得到了三个TF的基因，分别是Pgam2, Sod1和Suclg1(图4A)。然后，为了寻找可能调控疾病相关DEGs表达的TF，进行了TF富集分析，选择了高置信(NES≥4)的TF，共鉴定了150个TF。此外，根据高置信转录因子的靶基因列表，选择了可能调控靶基因的转录因子。发现Mef2a和Myod1可以调节Pdha1的表达。通过Pearson相关分析(图4d)发现Mef2a和Pdha1的表达以及Myod1和Pdha1的表达水平高度相关，表明Pdha1的表达可能受到Mef2a和Myod1的调控。图4 骨骼肌疾病相关DEGs的转录因子(TF)富集分析
SCs与FMCs和SMCs的相互作用
SCs可分化为快肌细胞(FMCs)和慢肌细胞(SMCs)。这三种细胞紧密相连，在骨骼肌发育中起主要作用。研究推断并可视化了三种细胞类型之间的细胞间通讯网络。随着自然衰老的进展，SCs与FMCs或SMCs的相互作用数量逐渐减少。这提示这种细胞间相互作用的减少或沉默可能在阻止SC分化和骨骼肌衰老进程中发挥重要作用。研究观察到SCs之间最大数量的配体-受体相互作用在胚胎期。胚胎阶段的平滑肌细胞和干细胞之间的配体-受体相互作用数量位居第二。为了更全面地理解与特定信号通路的协同作用，量化了所有重要信号通路的结构相似性，并将它们聚类到不同的组中，得到4个信号通路簇。图5 卫星细胞(SCs)、快肌细胞(FMCs)和慢肌细胞(SMCs)之间的细胞通讯网络
公共数据库建设
为了便于骨骼肌单细胞数据的挖掘和下载，研究建立了骨骼肌单细胞在线数据库MSKCA（http://www.mskca.tech/）。研究从70个数据集获得了共计630,040个细胞，其中69个公共数据集和本研究获得的1个数据集。人类数据包括包含212,920个细胞的29个数据集，小鼠数据包括包含417,120个细胞的41个数据集。
建立了骨骼肌细胞图谱数据库，可以作为研究骨骼肌细胞在发育和衰老过程中的异质性的有用资源。研究为开发抑制骨骼肌衰老和治疗骨骼肌疾病的新药物提供了潜在的靶点。
Qiu X, Wang HY, Yang ZY, et al.Uncovering the prominent role of satellite cells in paravertebral muscle development and aging by single-nucleus RNA sequencing. Genes Diseases. 2023;10(6):2597-2613.
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