JCB | 刁亚锐团队通过骨骼肌修复单细胞染色质开放性图谱发现自我更新的骨骼肌干细胞

BioArt · 发表于 2023-7-2 09:35:38

肌肉损伤常见于扭伤、拉伤、过劳和切割等，然而，肌肉拥有卓越的自我愈合能力，这要归功于肌肉干细胞。这些干细胞长期休眠于肌肉中，当肌肉遭受损伤时，一部分肌肉干细胞迅速行动，修复受损，而其他肌肉干细胞则留在干细胞库中进行自我更新。肌肉干细胞的命运调控对于维持骨骼肌稳态、促进肌肉再生和推动再生医学具有重要意义。

如何确定哪些细胞用于损伤修复，哪些细胞用于干细胞库补充呢？

杜克大学细胞生物学系刁亚锐教授团队，香港科技大学邬振国教授团队首次绘制了时间分辨率的单细胞染色质开放性图谱，揭示了骨骼肌损伤后再生过程中肌肉干细胞分化为其他类型细胞或保持干性的因素。该研究成果于2023年6月29日在Journal of Cell Biology发表，题为：Single-cell chromatin accessibility profiling reveals a self-renewing muscle satellite cell state （第一作者：Arinze Okafor，林欣，司徒成昊）。研究为肌肉损伤修复的机理以及相关疾病的治疗提供了新的启示。

研究发现肌肉干细胞在损伤状态下不会耗尽，提示可能存在一种机制让其中一部分肌肉干细胞避免分化，从而可以不断自我更新并占领原始干细胞的微环境，这样即使经历多次损伤，肌肉干细胞仍能持续再生。然而，研究该过程具有挑战性。一旦从体内分离肌肉干细胞，它们往往会自发丧失干细胞特性并开始肌肉分化。即使几小时的细胞分离过程也会导致干细胞激活并进入分化状态，失去了补充干细胞库的能力。为了克服这一困难，研究者使用瞬间冷冻的小鼠肌肉组织，直接分离细胞核并进行snATAC-seq技术，捕获了肌肉干细胞在未受损状态和不同时间点损伤后染色质开放性的特征 (图A)。这样避免了细胞分离对数据的干扰，得到了比以往更高分辨率的数据，确定肌肉干细胞在损伤修复过程中细胞命运变化的轨迹。

（A）利用瞬间冷冻的小鼠肌肉细胞核进行单细胞染色质开放性分析；（B）小鼠肌肉损伤修复过程中的肌肉干细胞的自我更新（左上）以及成肌分化（右下）的轨迹

通过创建单细胞染色质开放性图谱，该研究详细揭示了肌肉损伤再生过程中基因调控的变化，并清晰的观察到了损伤之后肌肉干细胞进行自我更新和成肌分化的两个不同的轨迹（图B）。刁亚锐团队进一步发现膜蛋白Betaglycan是在损伤修复过程中维持肌肉干细胞干性的重要标记蛋白。高表达Betaglycan的肌肉细胞保持更高的干细胞特性并自我更新，而低表达Betaglycan的细胞则趋向肌肉分化。通过Betaglycan的表达水平，可以将这群自我更新的细胞分离出来，并应用于移植，从而促进骨骼肌再生，研究成果为研究肌肉再生和骨骼肌干细胞的自我更新提供了新的细胞生物学模型。通过对转录因子结合序列在开放染色质区域的富集，该项研究进一步发现转录因子SMAD4可以抑制肌肉干细胞分化的命运，并促进干细胞在损伤修复中的自我更新。

此项研究帮助更深入地了解了肌肉干细胞自我更新的机制。在不远的见来，或许能够分离肌肉萎缩患者的肌肉干细胞在体外扩增培养，维持细胞的自我更新能力，并纠正某些基因突变。一旦将这些具有自我更新能力的肌肉干细胞植入患者体内，它们可以形成新的健康肌纤维，并填补其他干细胞微环境，有效减轻疾病影响，但要实现这一长期目标，还需要进行大量工作。

原文链接：

https://doi.org/10.1083/jcb.202211073

制版人：十一

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