骨骼肌约占我们人体40%总干重，是维持机体运动、呼吸、代谢、分泌等基本生理功能的重要组织。自然衰老过程中，骨骼肌的许多功能不可避免地随之发生衰退，主要表现为肌肉质量流失、肌无力、代谢异常并伴发慢性炎症。而持续、严重的骨骼肌衰退将引发肌少症（Sarcopenia）——一种主要发生在老年群体中的渐进性骨骼肌萎缩疾病。衰老伴随的骨骼肌萎缩无力是导致老年人自如活动受限、跌摔后骨折瘫痪的主要原因之一。

骨骼肌强大的生理功能维系于其特化的不同类型多核骨骼肌纤维、骨骼肌干细胞、神经胶质细胞（施旺细胞）、基质细胞、免疫细胞等多种其它细胞类型之间的精细化协作。然而在衰老的骨骼肌中，这种精准调控逐渐发生崩解：肌纤维萎缩退化、干细胞衰老耗竭、基质细胞纤维化、神经支配发生减退。长期以来围绕骨骼肌生理功能、衰老退化的许多重要问题悬而未决，如：骨骼肌纤维的多细胞核如何分工以行使肌纤维的不同功能？快缩型肌纤维（即白肌纤维）相较慢缩型肌纤维（即红肌纤维）更早、更严重发生萎缩，其背后的分子机理如何？骨骼肌干细胞作为异质性细胞群体，其衰老后无法活化的成因如何？骨骼肌微环境发生何种变化而加速骨骼肌衰退？中山大学张宏波教授课题组长期关注骨骼肌衰老的调控机制，既往研究发现能量代谢对骨骼肌干细胞衰老的重要调节作用（Science, 2016 & Sci Transl Med, 2016）。但囿于技术限制，包括上述工作在内的以往对骨骼肌衰老的研究往往只能侧重于单一或少数细胞类型及信号通路，从而无法从总体上刻画骨骼肌衰老这一复杂过程。近年来单细胞技术的发展为针对性地解决上述科学问题、系统性地理解骨骼肌衰老提供了有力支撑。

2024年4月15日，中山大学张宏波教授、英国Sanger 研究所Sarah Teichmann教授等合作在Nature Aging杂志在线发表了题为Human skeletal muscle aging atlas的研究论文。该研究联合应用单细胞-单核转录组测序技术，建立起跨越成年人类全年龄段的骨骼肌衰老整合图谱，解析了基于不同细胞类型及其协调互作的多项骨骼肌衰老关键调控机制。

在这项研究中，中山大学与Sanger研究所的合作研究人员通过收集年轻、年老人体肋间骨骼肌，对同一样本分别进行单细胞、单核转录组测序，整合绘制了迄今细胞类型最为全面的人体骨骼肌单细胞图谱。基于该图谱，研究人员对包括骨骼肌干细胞、骨骼肌纤维、肌纤维细胞核、微环境细胞等在内的所有主细胞群体进行了详细的亚细胞功能及衰老机制研究。有趣的是，研究发现了多种此前未被鉴定的骨骼肌纤维细胞核和骨骼肌干细胞亚群，并初步明确了这些新细胞群体对调控骨骼肌衰老所发挥的重要作用。得益于联合运用单细胞、单核测序技术，研究创新性发现了骨骼肌自主拮抗神经支配减退及肌纤维衰退的新机制。此外，研究人员建立了小鼠骨骼肌衰老的单细胞-单核整合图谱，通过对比发现不同物种骨骼肌衰老存在相当程度的保守性。

为研究骨骼肌纤维多细胞核的功能分工及衰老变化，研究人员对所有单核测序的肌纤维细胞核进行了详细聚类，发现这些这些不同类别和功能的细胞核分别存在于快缩型、慢缩型肌纤维中，并对快缩型肌纤维更早发生衰退、慢缩型肌纤维易抵抗衰退可能具有重要引导作用。有趣的是，研究人员全新发现了一类与促进突触形成相关的突触调节型肌纤维核（NMJ accessory nuclei），该细胞核在衰老的骨骼肌中数量明显增多。进一步实验研究表明，突触调节型肌纤维核能够有力促进神经肌肉接头的形成。这提示，骨骼肌衰老过程中，突触调节型肌纤维核作为保护性细胞核可能对重塑神经支配以延缓骨骼肌功能衰退具有重要作用。

针对快缩型白肌纤维比慢缩型红肌纤维更早衰老的问题，研究人员首先验证了这一现象。为研究详细机制，研究人员在RNA水平将单核测序得到的肌纤维细胞核按已知的肌纤维类型进行分类研究其衰老变化；同时，研究在蛋白水平对不同类型肌纤维的衰老同步进行刻画。通过将二者互相映射，研究人员全新发现了衰老骨骼肌中存在补偿性抵抗肌纤维衰退的第一种新机制，即：快缩型肌纤维率先发生衰退时，结构维持良好的慢缩型肌纤维开始表达快缩型肌纤维标志基因，潜在补偿快缩型肌纤维功能。其二，结合单细胞测序，研究人员发现衰老骨骼肌中一类再生性肌细胞数量增多，能潜在再生形成快缩型肌纤维以抵抗其衰退。

此外，研究人员对骨骼肌干细胞和免疫细胞分别进行了详细研究。研究发现特定骨骼肌干细胞亚群中核糖体活性下降和免疫炎性增高与干细胞总体活性丢失密切相关。而T细胞、NK细胞等免疫细胞浸润以及促炎因子表达增高则很可能引起骨骼肌微环境功能失调。

总而言之，该研究系统性刻画了人体成年骨骼肌的全部细胞类型及其衰老变化，全新鉴定了骨骼肌中多种新细胞类型、细胞核类型并初步明确其介导的衰老调节机制。该研究也为今后更广泛开展多类型骨骼肌、细胞空间维度衰老研究以及骨骼肌萎缩等疾病的病理机制研究提供重要参考。

同时，Nature Aging期刊针对该研究发表了简讯文章Systematic analysis of muscle aging using joint single-cell and single-nucleus sequencing。美国国立卫生研究院Vittorio Sartorelli教授点评：通过结合单细胞-单核测序技术，作者全面绘制了人类成年至衰老过程的骨骼肌所有细胞演变蓝图，为今后深入研究人类骨骼肌生理机能和衰老机制提供重要基础。

中山大学张宏波、英国Sanger 研究所Sarah Teichmann、剑桥大学Kourosh Saeb-Parsy为该论文共同通讯作者。Veronika Kedlian（Sarah Teichmann课题组博士生）、王亚宁（张宏波课题组副研究员）、刘天亮（张宏波课题组原博士生）为该论文共同第一作者。

中山大学中山医学院张宏波课题组利用单细胞测序、生化与分子细胞生物学、模式动物和人类疾病模型等研究能量代谢对衰老、发育等过程中细胞命运的影响。欢迎对上述研究方向感兴趣的博士后、硕博士研究生加入团队。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43587-024-00613-3