骨骼肌（Skeletal muscle）稳态维持对身体的健康非常重要。骨骼肌疾病可以在生理或病理条件下观察到骨骼肌成体干细胞数量减少。骨骼肌成体干细胞，也被称为肌卫星细胞（Satellite cells, SCs），对骨骼肌再生和稳态维持至关重要。由于肌卫星细胞位于基底膜和肌纤维肌膜之间，肌卫星细胞和肌纤维（muscle fibers）之间的相互作用对卫星细胞的功能非常重要。
SCs在生理状态下通常处于静息态，但在骨骼肌损伤再生过程中被激活。转录因子Pax7对调节肌卫星细胞命运和自我更新发挥着关键作用，这些功能对于骨骼肌损伤后的再生修复和肌组织稳态维持至关重要。Pax7表达水平差异导致小鼠肌卫星细胞具有异质性。最近，根据肌卫星细胞中Pax7的表达水平，确定了两个卫星细胞亚群，Pax7hi和Pax7lo。有趣的问题是：两个亚群细胞建立和维持的分子机制是什么？骨骼肌组织微环境是否调控SCs异质性？中国医学科学院基础医学研究所朱大海教授和张勇研究员团队，揭示了肌纤维作为SCs的微环境，肌纤维代谢调控的分泌因子改善SCs微环境，调节SCs异质性。运动干预通过改善骨骼肌代谢微环境，增加Pax7hi细胞比例，延缓骨骼肌成体干细胞衰老（Hu Li, EMBO J, 2019），对于衰老过程中肌组织稳态维持至关重要。
MicroRNAs（miRNAs）是内源性的小分子非编码RNA，在转录后水平调控靶基因的表达。已知miRNAs通过调节细胞命运决定、细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡等，在个体发育和疾病发生过程中具有重要作用。在骨骼肌再生过程中，miRNA参与调节SCs静息态维持、激活、增殖、分化与自我更新。miRNA在调节肌纤维类型形成、骨骼肌代谢重塑等方面也具有重要功能。但是，miRNA是否通过调节肌纤维代谢，影响SCs的微环境，进而调控SCs的异致性和功能还不清楚。
图1 骨骼肌纤维与肌卫星细胞
2022年4月2日，中国医学科学院基础医学研究所、广州再生医学与健康广东省实验室马普中心朱大海教授和张勇研究员团队，与深圳人民医院内分泌科康林和贾黎静博士团队合作，在Cell Regeneration上发表了题为“miR-378-mediated glycolytic metabolism enriches the Pax7Hi subpopulation of satellite cells”的研究论文，发现骨骼肌纤维中miR-378靶向Akt1/FoxO1通路促进骨骼肌糖酵解，富集Pax7hi SCs细胞亚群。
图2 miR-378介导的糖酵解代谢促进Pax7hi卫星细胞富集
miR-378调节小鼠骨骼肌糖酵解代谢。miR-378在糖酵解为主的“白肌”肌群中表达量显著高于以氧化型为主的“红肌”肌群，提示miR-378可能具有调控骨骼肌代谢的功能。为了确定miR-378在骨骼肌代谢调节中的作用，研究人员设计了肌纤维特异性的miR-378转基因（TG）小鼠。与野生型小鼠相比，miR-378 TG小鼠的糖酵解活性显著升高。此外，在miR-378 TG小鼠中，编码两种关键糖酵解酶——己糖激酶（HK2）和磷酸果糖激酶（PFK1）的基因表达显著增加，进一步支持了糖酵解活性的增加。
图3 miR-378调节骨骼肌糖酵解代谢
在肌纤维特异性过表达miR-378 TG导致骨骼肌再生延迟。最近的研究结果表明，肌纤维的糖酵解代谢有利于卫星细胞的自我更新，而不是卫星细胞的激活和分化。考虑到肌纤维特异性过表达miR-378提高了糖酵解活性，miR-378 TG小鼠可能为研究肌纤维代谢调节肌卫星细胞功能和骨骼肌再生提供了良好的动物模型。为此，研究人员评估了miR-378 TG小鼠的骨骼肌再生。用心脏毒素（CTX）损伤两种TG小鼠和WT小鼠的胫骨前肌。统计具有中央核的再生肌纤维的大小，发现miR-378 TG小鼠的再生肌纤维的大小显著小于WT对照组，表明TG小鼠的骨骼肌再生延迟。因此，研究人员接下来检测了miR-378 TG小鼠骨骼肌再生过程中的肌卫星细胞行为和功能。通过MyoD免疫荧光染色和BrdU掺入实验进行卫星细胞激活评估。发现，与WT对照组相比，miR-378 TG小鼠的MyoD和BrdU双阳性细胞显著减少， MyoD mRNA水平降低，表明在骨骼肌再生过程中，miR-378在肌纤维中的过表达延迟了卫星细胞的激活。总之，这些数据表明，由于卫星细胞激活能力减弱，miR-378 TG小鼠的骨骼肌再生显著延迟。
miR-378介导的肌纤维代谢促进Pax7hi亚群细胞富集。此前报道，糖酵解肌纤维作为SCs的微环境，可以富集Pax7hi亚群细胞。肌纤维特异性过表达的miR-378对卫星细胞激活的抑制作用，促使研究人员检测TG小鼠卫星细胞中Pax7的表达。首先，观察到两种TG小鼠胫骨前肌中的Pax7蛋白水平显著高于WT小鼠。Pax7免疫染色显示，TG小鼠的卫星细胞数量略高于WT对照，但不足以解释Western Blot结果中Pax7蛋白水平显著高于WT对照。进一步利用FACS分选，发现miR-378 TG小鼠的肌卫星细胞中Pax7hi亚群SCs的比例显著高于WT对照组，表明miR-378介导的骨骼肌纤维糖酵解代谢增强会显著富集Pax7hi亚群SCs。
图4 miR-378 TG小鼠富集Pax7hi细胞亚群
miR-378通过靶向Akt1-FoxO1轴介导肌纤维代谢重编程。接下来，研究人员通过鉴定miR-378靶基因，研究了miR-378介导的肌纤维代谢重编程的分子机制。研究发现miR-378 TG小鼠中Akt1蛋白水平显著降低，表明Akt1是miR-378在小鼠骨骼肌中的靶基因。为了确定miR-378是否通过靶向Akt1-FoxO1轴介导代谢重编程，在WT和TG小鼠胫骨前肌中过表达Akt1，Akt1过表达显著阻断miR-378介导的代谢重编程。值得注意的是，Akt1过表达逆转了miR-378 TG小鼠中Pax7的表达和Pax7hi细胞亚群的比例。总之，数据显示，miR-378通过靶向Akt1-FoxO1轴介导肌纤维代谢重编程，有利于卫星细胞的Pax7hi亚群富集。
总之，该研究发现了肌纤维作为骨骼肌成体干细胞微环境的关键作用。研究成果为通过改善骨骼肌代谢调节骨骼肌成体干细胞异质性和功能提供新的思路，为运动干预增强骨骼肌代谢用于预防与治疗骨骼肌相关疾病（包括老年肌少症）提供理论依据。
参考资料：
Li, H., Kang, L., Wu, R. et al. miR-378-mediated glycolytic metabolism enriches the Pax7Hi subpopulation of satellite cells. Cell Regen 11, 11 (2022). https://doi.org/10.1186/s13619-022-00112-z
Cell Regeneration