【学术前沿】朱大海和张勇教授团队揭示MyoD介导的组织代谢微环境在衰老过程中调控成体干细胞异质性的功能和分子机制
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骨骼肌是人体最大的内分泌代谢器官，对于人体的正常运动、代谢、稳态维持、寿命决定发挥不可替代的作用。特别是随着人群老龄化的不断加重,由于衰老、代谢性疾病等导致的骨骼肌衰减所引发的衰老综合症发生率显著提高,极大地降低了人们的生活质量。目前为止, 多数骨骼肌疾病都没有有效的治疗方法，很多骨骼肌疾病的致病机理也不很清楚。
骨骼肌成体干细胞在骨骼肌发育,再生和衰老中发挥十分重要的功能。骨骼肌成体干细胞(Pax7细胞)具有一定的异质性,但其异质性的组成、建立和维持的分子机制以及其在再生和衰老过程中的功能知之甚少。围绕这些科学问题朱大海和张勇教授团队在2015年首次报道了Pax7Lo亚群细胞建立的分子机制（Wu et al. Nature Communications， 2015）。然而，在发育和衰老过程中，组织代谢微环境对Pax7细胞异质性建立和维持的研究尚无报道。
近年来生命科学的研究对细胞代谢的认识有了新的认识，即机体代谢的功能不仅仅是为细胞活动提供物质和能量，更为重要的是细胞代谢具有十分重要的信号转导功能。骨骼肌肌组织由氧化和酵解两种代谢类型的肌纤维组成，有趣的是Pax7干细胞直接粘附在具有不同代谢特征的骨骼肌纤维上。因此，在解剖学上骨骼肌纤维为Pax7细胞提供了直接微环境(immediate niche)。基于此，该研究团队首次提出了“骨骼肌纤维代谢在调控Pax7细胞异质性建立和维持过程中组织代谢微环境”的概念假设。该研究利用scRNA-seq等技术和各种小鼠遗传和衰老模型验证了“组织代谢微环境“这一假设，其研究工作“Muscle‐secreted granulocyte colony‐stimulating factor functions as metabolic niche factor ameliorating loss of muscle stem cells in aged mice”于2019年11月18日发表在EMBO J.。
首先，研究者们通过单细胞测序的方法进一步证明Pax7Hi细胞和Pax7Lo细胞是两个不同的亚群，Pax7Hi亚群的细胞具有更强的干性，Pax7Lo亚群的细胞更倾向于分化（图1A）。并且研究者发现，Pax7Hi亚群的细胞在年老小鼠中显著性的减少（图1B-C）。衰老导致骨骼肌功能和再生的恶化，主要的原因是干细胞数量和功能的下降。Pax7Hi亚群的特点是具有更强的干性，因此Pax7Hi亚群随年龄减少解释了老年小鼠骨骼肌再生和修复的下降。随后，研究者通过对年轻和年老小鼠的骨骼肌转录组测序发现，在小鼠衰老的过程中肌纤维代谢由酵解型代谢向氧化型代谢转变（图1D），提示肌纤维代谢调控骨骼肌成体干细胞的异质性。并且，研究者发现酵解型肌群胫骨前肌比氧化型肌群比目鱼肌富含更多的Pax7Hi亚群的细胞（图1E），表明在正常生理条件下小鼠体内骨骼肌代谢与骨骼肌成体干细胞异质性的相关性。通过遗传小鼠模型MCK-PPARβ，骨骼肌特异性的增强肌纤维的氧化代谢，研究者发现Pax7Hi亚群的比例明显减少（图1F）。以上结果证明骨骼肌纤维的代谢调控了骨骼肌成体干细胞Pax7Hi亚群的比例。
图一 衰老过程中肌纤维代谢改变导致Pax7HI亚群减少
进一步，研究者证明肌纤维代谢如何调控了成体干细胞的异质性。研究者发现，骨骼肌表达的G-CSF在年老小鼠中显著的下调（图2A），并且G-CSF在酵解纤维的表达显著高于氧化型纤维。利用G-CSF处理骨骼肌成体干细胞和G-CSFR敲除小鼠，研究者证明G-CSF对于骨骼肌成体干细胞Pax7Hi亚群的建立和维持起重要作用（图2B）。
MyoD是著名的决定细胞谱系的Master转录因子，以往的研究都聚焦在MyoD在骨骼肌细胞命运决定中的功能和分子机制，而MyoD在成熟的骨骼肌纤维中的功能未见报道。该团队的研究工作首次发现了MyoD在成熟的骨骼肌纤维中以糖酵解代谢依赖的方式调控csf3基因表达的功能（图2C-D），为扩展人们对经典细胞谱系决定的Master转录因子新功能的认识提供了新的视角。
图二肌纤维代谢通过MyoD调控G-CSF对于Pax7HI亚群的建立时必须的
最后，研究者证明了肌纤维分泌的G-CSF作为代谢微环境是如何调控Pax7Hi亚群。骨骼肌成体干细胞的自我更新是通过不对称分裂实现[4]，并且Pax7Hi亚群的细胞能够进行不对称分裂[5]。因此，研究者猜想G-CSF通过促进不对称分裂富集Pax7Hi亚群的细胞。通过G-CSF处理分裂的骨骼肌成体干细胞，研究者发现，G-CSF促进Pax7Hi和Pax7Mi亚群的细胞不对称分裂富集Pax7Hi亚群的细胞（图2A-B）。因此肌纤维代谢通过MyoD调控G-CSF并通过促进不对称分裂富集Pax7Hi亚群细胞。进一步，研究者猜想是否可以通过增强肌纤维代谢缓解老年小鼠Pax7Hi亚群的减少。锻炼能够有效的增强肌纤维的酵解代谢，并且研究者表明通过长期锻炼干预肌纤维代谢可以改善老年小鼠中骨骼肌成体干细胞的异质性（图2C）。
图三 G-CSF通过促进不对称分裂富集Pax7Hi亚群
总之，该研究首次在整体动物水平上 (in vivo) 证明了成体干细胞组织“代谢微环境”的概念，在分子机制上发现了MyoD作为metabolic sensor的新功能，在生理功能上建立了锻炼在衰老过程中维持Pax7Hi和Pax7Mi亚群细胞的重要作用。其研究结果为锻炼身体增强骨骼肌干细胞功能提供了理论依据，同时也为探索应用不同亚群干细胞治疗骨骼肌萎缩等相关疾病提供了新的思路。
作者简介
朱大海教授，美国北卡州立大学分子遗传学专业博士，美国杜克大学医学院Howard Hughes Medical Institute博士后。中国医学科学院基础医学研究所，医学分子生物学国家重点实验室教授，国家杰出青年基金获得者，曾获得美国NIH Merit Award和Fellow Award For Research Excellence，科技部干细胞与转化研究专项“非编码RNA介导的染色质高级结构动态变化对细胞命运决定的调控作用及分子机制”首席科学家（2016-2020）。现为中国细胞生物学会监事，中国细胞生物学会细胞代谢分会秘书长、曾担任国家科技部十二五“发育与生殖”重大科学研究计划专家组成员，中国细胞生物学会发育生物学分会副会长、北京市细胞生物学会副理事长等。现为Cell Research, Journal of Translational Medicine等杂志编委。
朱大海教授研究团队致力于骨骼肌干细胞和骨骼肌代谢在发育和疾病中的功能及其分子机制研究 (请参考实验室近几年发表的工作：Nat Commun, 2015；J Biol Chem, 2016；EBioMedicine, 2016；Nat Commun, 2017；Cell Death & Dis, 2017；RNA Biol, 2018；EMBOJ, 2019)。采用转基因和敲除小鼠模型，结合遗传示踪、细胞生物学、生物化学以及生物信息学分析手段，在生理和病理两个整体层面上研究长非编码RNA和骨骼肌代谢调控的分泌因子（特别是代谢小分子）调控骨骼肌干细胞功能、骨骼肌代谢与脂肪代谢互作对机体整体代谢稳态的调控功能。以此研究为基础研发干预与治疗骨骼肌相关疾病（肌营养不良、老年肌少症）和代谢性疾病（肥胖、II型糖尿病）的药物。同时，在分子机制研究层面，正在通过Hi-C等各种高通量测序（ChIP-Seq/ChIRP-Seq）从染色质高级结构动态变化角度解析所研究因子发挥生理和病理功能的分子机制。
最近，朱大海教授在广东省实验室马普再生医学中心建立骨骼肌成体干细胞与再生实验室。马普再生医学中心是广东再生医学省实验室联合国际顶尖科研机构——德国马普学会搭建的 “广州中心”。朱大海教授在马普再生医学中心实验室主要以骨骼肌成体干细胞及骨骼肌再生为主要研究方向，涵盖基础研究和药物研发，包括：1）骨骼肌代谢微环境对骨骼肌干细胞异质性和功能的调控功能及分子机制；2）转录因子对染色质高级结构形成和维持的功能及分子机制；3）骨骼肌萎缩疾病药物的研发。
1980-2020