Nature | 单细胞技术揭示衰老细胞与肌肉再生


细胞衰老是一种功能失调的持久细胞周期停滞状态,它具有生物活性衰老相关的细胞表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP),衰老细胞在生命的各个阶段都会抑制骨骼肌再生。Moiseeva等人发现,可以在分子和功能水平上分离并定义体内衰老细胞,借助单细胞转录组学知识绘制衰老图谱,发现衰老细胞与常驻干细胞和局部生态位细胞之间的协调通信,达到改善肌肉修复和抗衰的作用。
文章亮点
01
用单细胞技术解决了什么问题?
利用单细胞转录组学与染色质分析绘制了再生骨骼肌中体内衰老细胞的图谱。
02
实验亮点
通过实验发现,衰老细胞会引起炎症,可以通过降低衰老细胞的数量减缓衰老进程。
03
临床意义
CD36可以通过调节体内衰老分泌程序,影响肌肉再生。这一发现为肌肉修复开辟新途径。
思维导图
研究结果
1、衰老细胞的获取与鉴定
通过心脏毒素(Cardiotoxin,CTX)诱导小鼠的肌肉损伤,分别在0、3、7、14、21天检测荧光素酶活性(CDKN2A)和衰老细胞的标志物(SA-β-gal)的活性。发现衰老细胞在老年组的肌肉中更丰富且存续时间更长,该组的端粒DNA损伤反应(DDR,γH2AX端粒免疫染色)在再生肌肉中也更高。结合免疫组化结果,作者发现衰老细胞在人类和小鼠的受损肌肉中均可被诱导。基于单细胞测序技术,绘制了体内衰老细胞的图谱,并对损伤后新衰老细胞生态位成分进行鉴定。
图1 从小鼠体内分离衰老细胞并鉴定
2、衰老细胞与衰老
作者使用更昔洛韦、达沙替尼和槲皮素作为治疗药物,结合对移植分选的SPiDER+/-损伤前肌肉的荧光染色结果,证明了衰老细胞不利于肌肉再生。并且发现,无论是短暂的(轻度损伤)还是持续性(慢性损伤)、无论年龄大小,衰老细胞对肌肉再生都是有害的。Bulk RNA-seq分析结果显示,每种细胞类型中,根据细胞状态存在明显的分离,且具有很强的衰老影响。
图2 衰老细胞的衰老影响
3、损伤会加快衰老进程
随着进一步对衰老细胞的研究发现,衰老细胞有促炎性状,可能导致老年小鼠肌肉再生失败。而损伤和衰老会导致压力的积累和炎症/纤维化途径(SASP)的激活,可以进一步加快损伤后的衰老进程。
图3 损伤会加快衰老进程
4、衰老细胞的功能
对所有年龄和时间点的衰老细胞进行差异分析,发现了很多与衰老、促炎、促纤维化相关的基因。富集分析的结果显示,有两个主要功能的上调——炎症,包括补体和凝血、先天免疫系统、脂蛋白重塑、细胞因子和TNF/NF-κB信号通路(Ccl2、Ccl7、Ccl8和Isg15);纤维化,基质组织和胶原代谢以及TGFβ信号通路(Col3a1、Col6a2和Timp2)。对衰老细胞的染色质的分析结果证实,无论年龄或受伤后的时间如何,肌肉中衰老细胞均具有炎症、纤维化倾向,并会影响肌肉再生。
图4 衰老细胞的富集结果研究
5、CD36调节SASP影响肌肉再生
SASP在体内存在异质性,作者想要寻找一种广泛SASP的靶向方法。发现CD36信号网可以预测NF-κB和其他炎症/应激相关途径的下游激活,以及下游的SASP组分(如Il6、Tgfb1、Mmp3、Igfbp5、Ccl2h和Cxcl10)。经体内验证发现,CD36可以通过调节SASP的产生,影响体内衰老分泌程序,促进骨骼肌细胞增殖,影响肌肉再生。
图5 CD36调节SASP产生促进肌肉再生
结论
本研究表明,衰老细胞是整个生命中组织再生的决定性因素。衰老细胞会诱发炎症促进衰老进程,CD36可以调节SASP,减缓衰老,影响肌肉再生。
参考文献
Moiseeva V, Cisneros A, Sica V, et al. Senescence atlas reveals an aged-like inflamed niche that bluntsmuscle regeneration. Nature. 2023 Jan;613(7942):169-178. doi:10.1038/s41586-022-05535-x . Epub 2022 Dec 21. PMID: 36544018
; PMCID: PMC9812788.
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