【学术前沿】肌肉干细胞衰老研究又现新靶点
国际知名学术期刊Nature Communications近期在线发表了美国伊利诺大学芝加哥分校药学系Wen-Shu Wu课题组的研究成果：“The transcription factor Slug represses p16Ink4a and regulates murine muscle stem cell aging”。该研究发现转录因子Slug能够通过抑制p16Ink4a的表达进而调控小鼠肌肉干细胞的衰老，在肌肉损伤过程中维持肌肉干细胞自我更新和分化，促进肌肉再生。这些发现提示Slug可以作为干预老年退行性肌肉疾病一个潜在的治疗靶点。
图1 美国伊利诺大学芝加哥分校药学系Wen-Shu Wu教授
骨骼肌是人体重要的组成部分，当发生损伤后能够再生以维持其内稳态。然而，骨骼肌维持内稳态的能力随着衰老逐渐下降。骨骼肌减少症主要特征为逐渐丧失肌肉的质量和力量，是老年人最常见的健康问题之一(Physiol Rev, 2019)。因此，探究骨骼肌衰老的机制对肌肉退行性疾病的临床治疗至关重要。
细胞衰老是干细胞耗竭的重要原因。端粒缩短、DNA损伤和INK4 / ARF位点的去抑制等都能够诱导细胞衰老(Cell, 2013; Rev. Dev. Biol, 2012)。该研究表明，p16Ink4a的去抑制使老年肌肉卫星细胞(satellite cells , SCs)又称为肌肉干细胞(muscle stem cells, MuSCs)从可逆静息状态转变为衰老状态。这将导致老年SCs即使处于年轻小鼠的体内微环境中，仍然不能被肌肉损伤所激活。然而，SCs中调控p16Ink4a表达的因素在很大程度上是未知的。
在衰老过程中p16Ink4a相关通路的激活会破坏肌肉内环境稳态，通过不可逆地抑制SCs自我更新能力从而引发相关的退行性肌肉疾病。该研究中的锌指转录因子Slug是Slug / Snail超家族中的一员，在小鼠静息期的SCs中高表达，对p16Ink4a具有直接的转录抑制作用。Slug缺乏导致SCs中p16Ink4a转录的增加，削弱了肌肉连续损伤后的再生能力。该研究揭示了SCs在衰老过程中丧失其肌肉再生和自我更新能力的机制。
该研究中，科研人员发现Slug全身缺失的小鼠表现出明显的体重下降，而肌肉作为占全身体重比例大约40%的组织，Slug全身缺失的小鼠的绝对肌肉质量降低但是相对质量（与体重相比）没有显著变化。以往的研究表明，肌肉质量的变化可能是由于蛋白或者细胞更新紊乱而导致的(Nutr. Metab. Cardiovasc. Dis, 2013)。而肌肉细胞更新主要是来源于SCs。同时，研究者发现在损伤模型中Slug全身缺失的小鼠损伤后再生能力减弱（图2），提示Slug全身缺失的小鼠的SCs的功能可能出现紊乱。
图2 全身性Slug缺乏导致小鼠肌肉损伤后再生障碍
研究者还构建了特异的在SCs中敲除Slug的小鼠品系(SlugcKO)，并以此研究Slug对SCs的影响，发现肌肉损伤后再生能力减弱（图3），进一步证明了Slug在SCs中发挥作用影响肌肉损伤后再生。
图3 SCs条件性敲除Slug导致小鼠肌肉损伤后再生障碍
那么，Slug是如何影响SCs在肌肉损伤后发挥其再生能力的呢？研究者利用基因编辑工具给所研究的SCs带上GFP标签，从而能够与受体mdx小鼠（肌肉损伤模型鼠）的SCs进行区分，将分离得到带有GFP标签的野生型和Slug-/-的SCs注射到受体mdx小鼠肌肉中，一段时间后分离SCs进行流式分析，由于带有GFP标签的SCs均是来源于供体野生型和Slug-/-小鼠，因此分析GFP阳性的SCs数目发现Slug缺失之后导致SCs数目减少（图4，d/e/f）为了排除小鼠个体差异的影响，研究者进一步将野生型和Slug缺失的SCs一同注射到mdx小鼠肌肉中，同样发现Slug缺失之后SCs数目减少更多（图4，g/h）。也就是说，Slug缺失的SCs自我更新和再生能力降低，无法很好的补充肌肉干细胞库，进而影响肌肉损伤后的修复及再生。
图4 Slug缺乏的肌肉干细胞在肌肉再生后的自我更新方面具有内在缺陷
随后，研究者通过GOBP (Gene ontology enrichment analysis of biological processes)分析发现Slug缺失的SCs中差异表达的基因聚集在细胞周期上，并通过ChIP-qPCR等手段确认Slug可以结合到p16Ink4a的启动子区域并且抑制其表达。更进一步的研究确认Slug缺失SCs细胞在体内和体外都表现出衰老的表型，如SA-β-gal阳性细胞数目的上升，Ki67阳性细胞数目的减少（图5）。那么，p16Ink4a作为Slug的下游是否会抵消Slug缺失造成的表型呢？研究者在SCs中同时敲除Slug和p16Ink4a后发现能够一定程度上逆转Slug缺失造成的表型，包括促进肌肉损伤后修复，增加SCs细胞数目，减轻衰老表型等。最后，在正常衰老的SCs中Slug的降低同时伴随着p16Ink4a的升高，通过过表达Slug能够增加体外诱导p16Ink4a 高表达的SCs在小鼠体内的自我更新能力。这些实验都证明了Slug能够通过抑制p16Ink4a来调控SCs的衰老。
图5 SlugcKO小鼠肌肉损伤后衰老骨骼肌干细胞增多
1、首次证明了Slug在SCs中具有调控衰老的作用。
2、Slug在年轻SCs中高表达，年老SCs中低表达，Slug缺失的SCs中p16Ink4a高表达，通过抑制p16Ink4a可以部分逆转Slug缺失造成的表型，进一步说明了Slug是通过抑制p16Ink4a的表达发挥调控衰老的作用。
3、揭示了在衰老过程中，SCs细胞自主性的发生细胞自我更新和再生缺陷的内在机制。
4、通过过表达Slug可以一定程度上逆转衰老SCs的自我更新和再生缺陷。
综上所述，尽管p16Ink4a已被公认为是干细胞衰老的关键因素，但上游调控因子导致其失调的机制尚不清楚。该研究表明，Slug在抑制骨骼肌中p16Ink4a的转录中发挥重要作用。这些结果为老年相关退行性肌肉疾病提供了一个有希望的治疗靶点。相信未来通过进一步研究，我们能够干预Slug及相关因子，延缓肌肉干细胞衰老，从而为衰老及肌肉损伤后修复提供保障。
1. Pei Zhu, et al. The transcription factor Slug represses p16Ink4a and regulates murine muscle stem cell aging. Nat Commun,10:2568 (2019)
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