增强子重编程在肌肉干细胞衰老过程中调控炎症反应及细胞身份的丧失

《Aging Cell》：Enhancer Rewiring Orchestrates Inflammation and Loss of Cell Identity During Muscle Stem Cell Aging

　　衰老相关肌肉再生能力下降主要归因于肌肉干细胞（MuSCs）的增殖缺陷和炎症反应增强。本研究通过整合表观基因组（ATAC-seq）、转录组（RNA-seq）和3D基因组（Hi-C）多组学数据，系统解析了MuSCs在年轻、老年及高龄三个阶段的变化特征。结果显示，高龄MuSCs呈现显著的增强子活性增加和3D基因组重排，伴随NFκB信号通路激活和炎症因子上调，导致肌原分化能力下降和细胞周期阻滞。性别差异研究发现，雄性MuSCs在衰老早期即出现增殖能力下降，可能与内源性逆转录病毒激活和干扰素信号通路异常相关。这些发现为揭示年龄相关肌肉再生障碍的分子机制提供了新视角。

　　衰老过程中再生能力的丧失是器官功能退化的重要特征，通常与干细胞功能耗竭密切相关。骨骼肌干细胞（MuSCs）在年龄相关的数量和功能上出现下降，导致肌肉再生能力的减弱。这项研究通过低输入多组学方法，系统分析了来自不同年龄组（年轻、老年和高龄）以及不同性别（雄性和雌性）的个体小鼠MuSCs的表观基因组、转录组和三维基因组结构。研究发现，随着年龄增长，MuSCs表现出一系列分子层面的变化，包括早期的促炎信号增强、细胞身份丧失，以及晚期的广泛增强子激活和三维基因组重排。这些变化可能与肌肉组织的退化、对细胞因子的反应能力下降以及肌源性身份的丧失有关。因此，这些渐进的分子变化可能是解释MuSCs在衰老过程中出现的增殖能力下降和功能障碍的重要线索。

研究揭示了衰老过程中骨骼肌干细胞的显著变化。在年轻阶段，雄性MuSCs表现出较低的细胞周期相关mRNA表达水平，这可能影响其增殖能力。随着年龄增长，特别是在雄性小鼠中，MuSCs显示出早期的促炎信号增强，包括干扰素信号通路的激活和内源性逆转录病毒（ERV）表达的增加。而在老年到高龄的过渡阶段，这些变化进一步加剧，表现为炎症反应增强、增强子活动增加以及三维基因组结构的重排。这些变化表明，MuSCs的衰老过程伴随着一系列分子机制的改变，而这些改变在不同性别中表现出显著差异。雄性MuSCs在年轻时即表现出较低的增殖能力，而在老年时这一趋势更加明显，可能与性染色体上的调控因子有关，如SRY基因与NFκB的相互作用，以及DDX3Y基因在RNA螺旋酶活性方面的变化。这些因素可能通过影响细胞周期调控和抗病毒反应，导致增殖能力的下降。

在表观遗传层面，研究通过ATAC-seq、CUT&RUN和Hi-C等技术，揭示了MuSCs在衰老过程中的表观遗传变化。ATAC-seq结果显示，随着年龄增长，染色质可及性在增强子区域显著增加，特别是在老年和高龄阶段，这种变化可能促进了促炎转录组的形成。CUT&RUN分析则表明，H3K4me1和H3K27ac这两种典型的增强子标记在老年和高龄MuSCs中表现出更高的信号强度，而这些增强子的活性变化可能影响了肌肉干细胞的分化能力。此外，Hi-C分析显示，随着年龄增长，三维基因组结构发生显著重排，表现为拓扑结构域（TADs）边界绝缘性的丧失以及新的染色体环的形成。这些变化可能反映了肌肉干细胞在衰老过程中逐渐失去其肌源性身份，向其他细胞类型转变。

值得注意的是，研究还发现了一些与炎症相关的信号通路，如NFκB信号通路，其在老年和高龄阶段的活性显著增强。这可能是由于增强子的开放和RNA传感器的激活所导致的。此外，一些关键的炎症相关基因和信号通路，如干扰素通路和cGAS-STING通路，其表达水平在老年和高龄阶段显著增加。这些变化可能与衰老过程中肌肉组织的慢性炎症状态（inflammaging）相关。同时，研究还发现，一些与肌源性调控相关的基因，如Pax7、Notch和Calcr，在衰老过程中表达水平下降，这可能进一步削弱了肌肉干细胞的静止状态和再生能力。

研究进一步揭示了不同年龄组之间的表观遗传变化趋势。在年轻和老年阶段，增强子活动的变化相对平缓，而到了高龄阶段，这种变化变得更为剧烈。这可能意味着在衰老的后期，增强子的重排成为影响肌肉干细胞功能的主要因素。此外，研究还发现了一些与肌肉再生相关的重要基因，如Myf5和Myf6，它们在老年和高龄阶段的表达水平增加，可能与肌肉组织的适应性变化有关。然而，这些基因的表达变化并不总是与表观遗传变化一致，这提示可能存在其他的调控机制，如转录后调控或RNA稳定性调控。

研究还关注了性别差异在衰老过程中的作用。尽管在年轻阶段，雄性和雌性MuSCs的表观遗传变化相对相似，但在老年阶段，雄性表现出更显著的促炎信号增强和细胞周期相关mRNA表达的下降。这种性别差异可能与性染色体上的特定基因表达有关，例如Ddx3y和Ddx3x。此外，研究还发现了一些性别特异性的增强子活性变化，这可能与性别相关的免疫反应和炎症状态有关。

在实验方法上，研究采用了多种先进的技术手段，包括ATAC-seq、CUT&RUN、Hi-C和RNA-seq，以全面解析MuSCs的表观遗传和转录组变化。这些技术能够提供高分辨率的基因组数据，从而揭示不同年龄组和性别之间的差异。同时，研究还利用了生物信息学工具，如PCA、GO分析、GSEA和ABC模型，以整合多组学数据并识别关键的调控机制。这些分析方法不仅能够揭示基因表达的变化，还能识别表观遗传标记的动态变化及其对基因调控的影响。

此外，研究还探讨了多种调控因子在MuSCs衰老过程中的作用。例如，DDX3Y基因在雄性MuSCs中表达较高，而DDX3X则在雌性中表达较高。这些RNA螺旋酶可能在调控基因表达和维持细胞稳态方面发挥重要作用。同时，一些与炎症相关的转录因子，如NFκB，其活性在老年和高龄阶段显著增强，这可能进一步加剧肌肉干细胞的功能障碍。

研究还发现了一些与胶原蛋白表达相关的基因，如COLV。这些基因在衰老过程中表达水平下降，这可能与胶原蛋白的降解或转录后调控有关。尽管胶原蛋白的表达水平下降，但其染色质可及性和组蛋白修饰并未发生显著变化，这提示可能存在其他的调控机制。例如，一些RNA结合蛋白和微小RNA可能通过影响胶原蛋白mRNA的稳定性来调控其表达水平。

综上所述，这项研究通过多组学分析揭示了骨骼肌干细胞在衰老过程中的复杂变化。这些变化不仅包括促炎信号的增强和细胞周期调控的紊乱，还涉及表观遗传标记的改变和三维基因组结构的重排。这些发现为理解衰老过程中肌肉再生能力下降的分子机制提供了新的视角，并为未来开发针对年龄相关肌肉功能障碍的干预策略提供了理论依据。此外，研究还强调了性别差异在MuSCs衰老过程中的重要性，这可能为性别特异性治疗方案的设计提供参考。