文章于.4.22online（NatureIF：64.8）
导读
中国的老年人口数量不断增加，中国已成为全球老年人口最多的国家之一，60岁及以上人口接近3亿。预计到年，中国60岁及以上人口将超过4亿，占总人口的30%以上。应对老龄化挑战，提升老年人医疗保障是亟需攻克的难题。为什么身体倍儿棒的隔壁王大爷跳广场舞扭了脚，却被医生直接宣告余生只能卧床？
随着年龄增长，生物个体会自然衰老，最终死亡。越来越多的研究表明，衰老能够被延缓甚至逆转。肌肉萎缩和功能衰退是人体衰老的常见表现，也是老年人发病率和死亡率的关键因素。肌肉萎缩是导致老年人发生残疾的主要原因之一，一个亚洲蹲就可能使老年人致残；肌肉萎缩会增加老年人患病风险，包括糖尿病、高血压、肥胖症、冠心病、中风和癌症等慢性病，还会降低老年人机体免疫力，使更易被感染。因此，了解肌肉衰老潜在的分子机制对于理解人类衰老具有重要意义。然而，由于肌肉组织的异质性（其中肌纤维是最为丰富的）难以表征，而且难以获得良好的人体样本，因此研究进展缓慢。
华大生命科学研究院、中国科学院广州生物医药与健康研究院MiguelAngelEsteban研究员和西班牙庞培法布拉大学AltosLabs的PuraMu?oz-Cánoves研究团队于年4月22日在Nature（IF：64.8）上联合发表了题为「Multimodalcellatlasoftheageinghumanskeletalmuscle」的研究论文。该团队对来自中国和西班牙31位不同性别（17名男性，14名女性）、不同年龄（覆盖15至99岁）、不同身体健康状态的个体下肢骨骼肌进行转录组（对整体样本进行单核RNA测序，对分离的单核细胞进行单细胞RNA测序）和染色质可及性测序，得到包含,个细胞核/细胞的数据集图谱。通过分析比对数据集中各测序结果，该团队阐释了不同年龄阶段个体中的关键分子差异以及细胞群体在衰老过程中发生的变化，表征了老年人群中特异存在的细胞群体，并在转录组学和表观遗传学水平上探讨了与骨骼肌衰老相关的分子机制。进一步地，通过与遗传数据进行交叉比较，该团队还确定了标记易感性肌肉萎缩的染色质结构的关键因子。总的来说，这项工作为未来的医疗、医药和生活方式干预提供指导，以维持老年人群的肌肉健康。
研究内容
1.构建人类骨骼肌的多模态图谱
研究人员收集了来自西班牙和中国31位不同年龄参与者的下肢肌肉活检，对整个样品进行了单核RNA测序和染色质转座酶可及性测序分析，并对分离出的单核细胞进行了单细胞RNA测序，得到对应22个个体、包含,个细胞核/细胞的数据集，其中snRNA-seq为,个，scRNA-seq为79,个，snATAC-seq为95,个。
数据集测序结果表明衰老过程中骨骼肌有关细胞的数量、种类变化：与个体性别无关，肌核(特别是II型肌纤维、MuSCs和周细胞)的数量随年龄增长而减少，脂肪细胞、成纤维细胞样细胞和免疫细胞数量随年龄增长而增多；大多数细胞类型在单个细胞/细胞核之间表现出增加的转录异质性，这是衰老的一个新特征，指出表观遗传不稳定性的增加可能促进细胞身份漂移。
2.肌核组成的变化
接下来研究人员对数据集进行了聚类分析，snRNA-seq和snATAC-seq数据集均表明衰老导致两性中II型肌核普遍减少，同时I型肌核相对增加，这转化为肌纤维的结构变化，II型肌核的减少在IIX亚型中更为明显，其次是混合型IIA/IIX肌核，其变化程度与个体的年龄高度相关。
进一步的snRNA-seq亚聚类分析表征在两种主要肌纤维类型中，存在肌腱连接和NMJ特化的肌核。亚聚类确定了其他在成人或老年人肌肉中富集的细胞群。例如，II型肌纤维特异性的ENOX1+肌核在成人组中富集；相比之下，TNNT2+、ID1+、DCLK1+和SAA2+肌核在老年组中富集。与NADPH氧化酶在骨骼肌中的保护作用一致，ENOX1+肌核可能表征健康人的II型肌纤维群，肌肉快速收缩所需的碳水化合物代谢相关基因高水平表达支持这一结论。
3.整体和肌纤维类型特异性的恶化
为了评估骨骼肌纤维随着年龄增长而经历的逐级转录变化，研究人员确定了成人(年龄≤46岁)、老年(74-82岁)和非常老年(年龄≥84岁)I型和II型肌核之间的共同差异表达基因，并进行了功能富集分析。分析结果表明老年肌核中调节葡萄糖代谢(SLC2A4,PFKFB1)、调节脂质代谢(PPARGC1A,PPARA)以及肌肉合成基因（如肌球蛋白和肌钙蛋白基因）等表达水平下调。进一步地，个体的年龄与肌节蛋白基因表达下调和染色质可及性之间存在很强的相关性。此外，衰老的肌核显示出TGF-β信号和亲同细胞粘附的增加，表明与肌纤维环境的相互作用发生了改变。重要的是，不同年龄组的比较分析显示，在年龄≥84岁的个体中，肌核中促炎信号激活持续较高。研究人员构建了I型和II型肌纤维退变的分子路径，找到了两种肌纤维退变机制的差异，发现I型肌纤维的退变较为缓慢，而II型则较为迅速。
4.衰老核中的基因调节网络
为了探究随年龄增加肌核变化的调控机制，研究人员推断定义了潜在的基因调控网络。他们在I型肌纤维中发现28,个独特的染色质可及性峰与10,个基因显著相关，在II型肌纤维中发现27,个独特的染色质可及性峰与10,个基因显著相关。进一步分析表明，与应激相关的转录因子(如FOSL2、JUN、FOS、JUNB、STAT3)上调，并沿着退化轨迹驱动协调的基因表达程序。此外，一些富集的转录抑制因子是肌纤维类型特异性的，例如，TBX15富集I型肌纤维，JDP2富集II型肌纤维。这两种转录因子通过抑制AP-1复合物活性参与糖酵解肌纤维代谢和心肌细胞保护，它们的富集可能解释了老年肌纤维类型特异性功能障碍。
5.过早启动衰老导致的肌肉衰竭
随着年龄增长，肌肉细胞在损伤时从静止状态转变为组织修复激活状态的能力大大降低。研究人员利用snRNA-seq数据，将标记物在不同状态下进行细分，描述了不同肌肉细胞亚型。其中，衰老个体的肌肉中静息态肌肉干细胞减少，而始发态肌肉干细胞增加（FOS+），导致它们无法有效增殖和分化，这可能是衰老个体中肌肉干细胞耗竭的机制之一。
6.促炎和促纤维化反应
接下来，研究人员对sc/snRNA-seq数据集中的单核细胞进行亚聚类分析。分析表明，随着个体衰老，内皮细胞发生了明显改变，促炎和趋化信号增加，免疫细胞数量增多引发炎症。此外，成纤维祖细胞群体在个体衰老过程中从促进再生的表型转变为促进纤维化的表型，并伴随着成熟脂肪细胞数量的增加。体内的这些细胞和分子水平变化使肌肉在遭受明显损伤时更容易发生细胞衰老，最终导致全身性炎症，加速老年人身体机能衰退。
7.细胞间通讯改变
随着个体年龄增长，单核细胞间的配体与受体相互作用明显增强，这种增强效果与免疫细胞和基质细胞分泌的趋化因子和细胞因子(如TNF、CXCL和CCL家族成员，MIF,IL-1,IL-6)增多并作用于包括肌纤维在内的多种细胞类型有关。接着，他们发现老年个体的肌肉中受ECM的过度沉积影响，FAPs特性发生转变，这导致肌肉功能受损。此外，研究人员还发现TGFb、Activin等信号通路在衰老个体肌肉中表达上调，并发现Wnt信号通路在衰老个体肌肉中表达下调。
8.遗传风险变异与细胞类型有关
最近的全基因组关联研究(GWASs)揭示了与肌肉无力相关的易感位点。通过聚合来自不同细胞类型和年龄组的所有细胞核的片段，研究人员生成了一个包含,个峰的联合峰集，并从中鉴定出93,个富含单个细胞类型的峰。成年人和老年人在这些峰的开放程度上表现出相似性和差异性，突出表明表观遗传改变可能是肌肉老化和肌肉减少症的重要驱动因素。例如，尽管瘦体重在II型肌核中如预期的那样丰富，但肌肉力量相关的特征却意外地在衰老的成纤维细胞样细胞和FAPs中丰富，而在肌纤维中却没有，这一例子支持遗传变异可以通过改变细胞间通信网络来促进肌肉减少症的观点。
研究结论
该项工作通过对31位不同年龄段个体的下肢肌肉进行单核RNA测序（snRNA-seq）、染色质转座酶可及性测序（snATAC-seq）及对分离的单核细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），得到来自15至99岁具有不同健康个体的,多个细胞/细胞核数据集，系统描述了肌肉相关的细胞群在个体衰老过程中的变化，包括老年人中新细胞群出现，以及与这些变化相关的细胞特异性和多细胞网络特征，还确定了标记肌少症易感性的染色质结构的关键要素。这项工作为理解人类衰老提供了大量数据支撑，为肌肉衰老的预防和治疗提供了科学依据，是一项很有意义的工作。
作者介绍
MiguelAngelEsteban，男，西班牙籍，中国科学院广州生物医药与健康研究院博士生导师，「」项目首位外裔首席科学家（），国家高端外国专家，中科院特聘研究员，曾在英国帝国理工大学从事科研工作，英国肾脏协会会员，TheJournalofBiologicalChemistry杂志编委。主要从事干细胞、神经退行性疾病、重编程、转分化、非编码RNA以及诱导多能干细胞及其命运调控研究，近五年的40篇总被引达4次，其中两篇为全球高引用率（Top1%）文章。MiguelA.Esteban研究员年加入中科院广州生物医药与健康研究院，引进外国青年学者7人，并获得「年度中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者）」、「广州市羊城友谊奖」、「外国专家局高端外国专家」等荣誉称号，牵头完成的「尿液诱导多能干细胞技术及体细胞重编程机制」获年广东省自然科学奖一等奖。
赖毅维，男，杭州华大生命科学研究院副研究员，博士期间就读于中国科学院广州生物医药与健康研究院，师从MiguelAngelEsteban。从事衰老、单细胞测序、时空转录组研究。
原标题：《Nature：老人「致命一跤」有救了！广州健康院揭秘衰老个体肌肉萎缩真相》