衰老進(jìn)程中骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞微環(huán)境改變的研究進(jìn)展

卜凡 陳艷華 曾澤東 曹書源

[摘要]?骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞（muscle?satellite?cells，MSCs）是骨骼肌干細(xì)胞的主要成分，在骨骼肌損傷的修復(fù)和再生過程中發(fā)揮重要作用。與其他體細(xì)胞一樣，MSCs也存在衰老問題。個(gè)體衰老過程中，骨骼肌干細(xì)胞微環(huán)境基本代謝的變化導(dǎo)致干細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，嚴(yán)重影響老年骨骼肌的功能。老年個(gè)體MSCs微環(huán)境受轉(zhuǎn)化生長因子-β、Notch信號(hào)、Wnt信號(hào)等多條信號(hào)通路的調(diào)控；亦受成纖維細(xì)胞生長因子2、生長分化因子11及細(xì)胞自噬等調(diào)控。本文主要對(duì)老年個(gè)體MSCs微環(huán)境改變的信號(hào)通路等調(diào)控機(jī)制進(jìn)行綜述，為改善老年個(gè)體骨骼肌損傷的修復(fù)和再生提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]?衰老；骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞；微環(huán)境；信號(hào)通路

[中圖分類號(hào)]?R329??????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2023.15.025

骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞（muscle?satellite?cells，MSCs）是一種未分化的、單核的肌肉祖細(xì)胞，位于靠近肌纖維的質(zhì)膜基底板內(nèi)，是骨骼肌生長發(fā)育、新陳代謝和修復(fù)重建的核心細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。多數(shù)MSCs是靜止的，負(fù)荷或組織損傷的增加可激活MSCs，并使其開始分裂[1]。干細(xì)胞存在于特殊的微環(huán)境中，稱作“干細(xì)胞微環(huán)境”。干細(xì)胞微環(huán)境是動(dòng)態(tài)的機(jī)械和化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)通路，不斷將組織狀態(tài)和需求傳遞至其再生細(xì)胞源，對(duì)維持干細(xì)胞的數(shù)量和功能至關(guān)重要[2]。MSCs在正常情況下處于靜止?fàn)顟B(tài)，在特定生理刺激或損傷等病理?xiàng)l件下被迅速活化，轉(zhuǎn)化為具有增殖和分化潛能的成肌細(xì)胞[3]。維持干細(xì)胞靜止和激活之間的平衡是干細(xì)胞微環(huán)境的重要功能之一。在個(gè)體衰老進(jìn)程中，機(jī)體的組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能及微環(huán)境等均會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)通路對(duì)干細(xì)胞的調(diào)控也會(huì)發(fā)生變化。研究細(xì)胞微環(huán)境相關(guān)的分子、信號(hào)通路在老年個(gè)體MSCs中對(duì)成肌細(xì)胞的調(diào)控、攻克骨骼肌衰減癥具有重要意義。對(duì)個(gè)體衰老進(jìn)程中MSCs微環(huán)境改變的調(diào)節(jié)機(jī)制及相關(guān)信號(hào)通路體內(nèi)和體外微環(huán)境的變化是促使MSCs衰老的關(guān)鍵因素之一[4]。MSCs微環(huán)境由細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular?matrixc，ECM）、肌纖維、基膜及與其相關(guān)的可溶性細(xì)胞因子等組成，與MSCs進(jìn)行持續(xù)信息傳遞，與維持MSCs的正常生理功能及自我更新等潛能密切相關(guān)[5-6]。ECM是由膠原、蛋白聚糖、糖胺聚糖、生長因子和非膠原蛋白等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[7]，是細(xì)胞生長微環(huán)境的主要成分，在組織再生中發(fā)揮重要作用。體內(nèi)外研究顯示，將老年個(gè)體的MSCs暴露于年輕環(huán)境，部分細(xì)胞功能和行為的缺陷是由細(xì)胞微環(huán)境問題造成[8]。研究發(fā)現(xiàn)，老年個(gè)體骨骼肌肌纖維質(zhì)膜基底板明顯增厚，層狀結(jié)構(gòu)喪失，呈不規(guī)則和無定形狀[9]。個(gè)體衰老進(jìn)程中，慢肌纖維內(nèi)膠原蛋白Ⅳ的濃度隨著年齡的增長而逐漸增加，而層粘連蛋白則優(yōu)先在快肌纖維中增加[10]。這不僅影響基底板儲(chǔ)存和釋放生長因子，還會(huì)使維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的相關(guān)信號(hào)分子受到影響。老年小鼠肌纖維基底板中的糖蛋白骨橋蛋白濃度有所增加，該蛋白負(fù)調(diào)控體外成肌細(xì)胞的分化和體內(nèi)肌肉的再生[11]。衰老個(gè)體MSCs內(nèi)環(huán)境中，其他基質(zhì)相關(guān)的轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming?growth?factor-β，TGF-β）和果蠅無翅/整合素（wingless/integrated，Wnt）等肌發(fā)生負(fù)調(diào)控因子的表達(dá)增加[12]。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，在個(gè)體衰老進(jìn)程中，雖多數(shù)調(diào)節(jié)MSCs功能的信號(hào)通路被異常調(diào)控，但它們之間卻可相互協(xié)調(diào)，以維持肌肉干細(xì)胞功能。研究顯示MSCs衰老過程中，干細(xì)胞微環(huán)境相關(guān)信號(hào)通路的改變主要涉及缺刻同源基因Notch、TGF-β及Wnt等；同時(shí)微環(huán)境受成纖維細(xì)胞生長因子2（fibroblast?growth?factor?2，F(xiàn)GF2）、生長分化因子11（growth?differentiation?factor?11，GDF11）及細(xì)胞自噬等調(diào)控[13]。

1??Notch信號(hào)通路

Notch信號(hào)通路是維持MSCs功能、調(diào)節(jié)細(xì)胞自我更新和肌原性分化之間相互協(xié)調(diào)的主要調(diào)節(jié)器[14]。Notch信號(hào)通路通過抑制分化、誘導(dǎo)細(xì)胞外成分的表達(dá)，維持MSCs的靜止?fàn)顟B(tài)[15]。在老化的骨骼肌肌發(fā)生期間，肌纖維和老年成肌祖細(xì)胞均不能適當(dāng)?shù)厣险{(diào)Notch配體Delta1。研究發(fā)現(xiàn)，老年個(gè)體骨骼肌Notch信號(hào)通路的激活可使部分損失再生能力的MSCs的功能得以恢復(fù)；同時(shí)，Notch信號(hào)通路是年輕機(jī)體骨骼肌損傷修復(fù)過程中MSCs功能恢復(fù)的關(guān)鍵信號(hào)[16]。MSCs的Notch、Wnt信號(hào)及TGF-β信號(hào)通路均可調(diào)控肌肉再生[17]。在個(gè)體衰老過程中，這些級(jí)聯(lián)信號(hào)的失調(diào)對(duì)MSCs功能活性的改變有非常重要的影響。

2??TGF-β信號(hào)通路

TGF-β信號(hào)通路廣泛存在于細(xì)胞中，其激活介導(dǎo)細(xì)胞的生長、增殖、分化、遷移和凋亡。抑制肌肉中的該信號(hào)通路有益于改善肌肉萎縮類疾病的預(yù)后。既往研究顯示，該信號(hào)通路能調(diào)控肌肉的質(zhì)量和功能，其激活往往導(dǎo)致肌肉萎縮，并抑制MSCs的激活、生肌的分化及肌母細(xì)胞的纖維化等[18]。TGF-β信號(hào)通路通過磷酸化母體抗生物皮膚生長因子同源物（small?mothers?against?decapentaplegic，Smad）3細(xì)胞內(nèi)途徑，促進(jìn)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（cyclin?dependent?kinase，CDK）抑制劑的表達(dá)，從而抑制MSCs的增殖；而Notch信號(hào)通路可從CDK抑制基因的驅(qū)動(dòng)器中除去磷酸化Smad3，拮抗TGF-β的功能[19]。因此，老年個(gè)體肌肉中Notch的累積消耗及TGF-β的增強(qiáng)轉(zhuǎn)導(dǎo)可增強(qiáng)CDK抑制劑的表達(dá)，與MSCs的增殖和分化受損程度相關(guān)[16]。研究表明，增齡性骨骼肌丟失癥中TGF-β的失調(diào)可加速骨骼肌干細(xì)胞功能的喪失[20]。

3??Wnt信號(hào)通路

Wnt蛋白是一種分泌型糖蛋白，通過旁分泌或自分泌方式與受體結(jié)合，激活胞內(nèi)信號(hào)通路途徑，調(diào)控細(xì)胞的增殖、生長和遷移，參與胚胎發(fā)育等多種細(xì)胞學(xué)進(jìn)程；Wnt信號(hào)通路主要通過生肌調(diào)節(jié)因子（myogenic?regulatory?factor，MRF）調(diào)控骨骼肌的發(fā)育[21-22]。老年個(gè)體MSCs微環(huán)境中衍生的Wnt配體促使Wnt表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而影響MSCs向肌源纖維轉(zhuǎn)化，最終使骨骼肌組織再生能力下降，纖毛增生[23]。老年個(gè)體血液中活化的Wnt配體對(duì)MSCs表型的影響可通過補(bǔ)體C1q進(jìn)行鑒定[24]。盡管年齡相關(guān)因素可延緩Wnt的激活，并對(duì)MSCs的功能產(chǎn)生不良影響，但Notch與Wnt信號(hào)通路激活態(tài)之間的協(xié)調(diào)是肌肉再生的必要條件。骨骼肌干細(xì)胞肌源性的維持需要Wnt依賴性糖原合成酶激酶（glycogen?synthase?kinase，GSK）3β的失活，而GSK3β卻在依賴性Notch信號(hào)通路中被激活，推測在MSCs自我更新?lián)p耗中，Notch下調(diào)與Wnt上調(diào)之間的協(xié)同效應(yīng)可促使MSCs異常分化，加速老年干細(xì)胞數(shù)量的下降，進(jìn)而影響骨骼肌的再生修復(fù)[25]。但有學(xué)者提出質(zhì)疑，認(rèn)為骨骼肌再生過程中Wnt/β-連環(huán)素信號(hào)通路是不可或缺的，Wnt的沉默是防止MSCs再生時(shí)間延長調(diào)控中的關(guān)鍵步驟[16]。Wnt信號(hào)通路對(duì)老年個(gè)體MSCs功能的影響仍有待進(jìn)一步探索。

4??FGF2

有文獻(xiàn)報(bào)道，肌纖維中的FGF2可激活MSCs，有助于MSCs參與細(xì)胞周期的調(diào)控，促進(jìn)MSCs的增殖和有絲分裂的發(fā)生[26]。FGF2表達(dá)上調(diào)與年齡相關(guān)，可通過中和FGF2活性或阻斷FGF2受體以逆轉(zhuǎn)MSCs的靜止?fàn)顟B(tài)。Sprouty1蛋白在該過程中起關(guān)鍵作用，可從細(xì)胞內(nèi)部改變MSCs的功能。Sprouty1是FGF2的負(fù)性調(diào)節(jié)器，在年齡相關(guān)疾病中Sprouty1基因的缺失及年齡相關(guān)的改變均與MSCs?FGF2的調(diào)節(jié)水平有關(guān)[27]。老年個(gè)體骨骼肌干細(xì)胞中Sprouty1基因上的DNA甲基化增加，這一改變影響MSCs轉(zhuǎn)向靜止?fàn)顟B(tài)[28]。

5??GDF11

研究表明，個(gè)體衰老進(jìn)程中，除MSCs的內(nèi)在變化外，某些循環(huán)因素也是MSCs增殖能力下降的關(guān)鍵因素[29]。研究表明，GDF11的水平隨年齡的增加而逐漸降低；應(yīng)用重組GDF11作用于老年小鼠，其MSCs的數(shù)量及肌纖維的再生水平、大小和功能均上調(diào)[30]。但另有研究顯示，老年大鼠和人血漿中的GDF11水平隨年齡的增長而逐漸增加，表明GDF11與肌生成抑制素之間存在具有協(xié)同作用的蛋白，GDF11的活化區(qū)域與肌生成抑制素有90%的同源性[31]。肌生成抑制素是肌纖維生長和肌管分化的負(fù)調(diào)節(jié)因子，通過Smad2/3抑制肌生成，暴露外源性GDF11可導(dǎo)致骨骼肌再生能力下降[32]。有研究表明，老年個(gè)體的肌生成抑制素水平升高，可能是促使增齡性骨骼肌丟失癥表型產(chǎn)生的重要原因[33]。

6??細(xì)胞自噬對(duì)干細(xì)胞的影響

老年個(gè)體肌肉中的MSCs可從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為不可逆的衰老狀態(tài)[33]。在整個(gè)生命過程中，MSCs如何避免衰老依然未知。研究表明，MSCs可通過自噬來維持其可逆的靜止?fàn)顟B(tài)[34]。自噬是細(xì)胞器的自我降解過程，部分胞質(zhì)和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)被自噬體包裹并在溶酶體中被降解，進(jìn)而防止細(xì)胞內(nèi)廢物的堆積。老年個(gè)體MSCs的自噬活動(dòng)受損導(dǎo)致破損的蛋白和細(xì)胞器累積，導(dǎo)致干細(xì)胞衰老并衰竭。健康成年小鼠中自噬基因的抑制可使干細(xì)胞快速進(jìn)入衰老階段，最終導(dǎo)致MSCs數(shù)量和功能的下降，進(jìn)而破壞肌纖維的再生[26]。

綜上，本文綜述衰老對(duì)MSCs微環(huán)境及細(xì)胞信號(hào)分子的影響，探討骨骼肌萎縮及影響MSCs激活、增殖、分化等細(xì)胞內(nèi)在原因。衰老引起的骨骼肌質(zhì)量及功能下降的內(nèi)在機(jī)制研究有助于臨床延緩個(gè)體骨骼肌的衰老，MSCs重塑研究將有利于改善衰老引起的骨骼肌丟失癥狀，為治療骨骼肌萎縮等相關(guān)疾病提供研究思路。

骨骼肌為人體最豐富的組織之一。在個(gè)體衰老進(jìn)程中，骨骼肌的質(zhì)量和功能會(huì)隨著年齡的增加而減退，將對(duì)老年個(gè)體的活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生影響，嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量。隨著年齡的增長，不同組織、器官和宿主干細(xì)胞的功能會(huì)逐漸衰退，損傷應(yīng)答能力和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)維持能力下降。就MSCs而言，外在環(huán)境的變化及細(xì)胞自身的改變都與老齡化相關(guān)。因此，深入了解衰老進(jìn)程中肌肉干細(xì)胞微環(huán)境相關(guān)的信號(hào)通路和分子機(jī)制，對(duì)建立改善衰老個(gè)體骨骼肌修復(fù)能力的新方法非常重要?；謴?fù)老年個(gè)體MSCs的功能、老齡化如何直接影響MSCs的自身功能等問題是后續(xù)研究的主要方向。

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