FoxO家族转录因子与肌肉干细胞的维持

来源：BioArt

随着年龄的增长，组织再生能力下降，但目前尚不清楚这变化是否源于干细胞异质性的变化。2020年10月26日，西班牙法布拉大学Pura Muñoz-Cánoves研究组与美国国立关节炎、肌肉骨骼和皮肤病研究所Vittorio Sartorelli研究组合作发文题为FoxO maintains a genuine muscle stem-cell quiescent state until geriatric age，揭开了极度老年年龄（Geriatric age）中肌肉干细胞保持静息状态的因子FoxO以及其作用的具体分子机制。随着生物体年龄的逐渐增长，组织能力逐渐随时间下降，其中一个非常适宜对此过程进行研究的范例是骨骼肌【1,2】。骨骼肌中的干细胞又被称为卫星细胞（Satellite cells），其生命周期的大多数时间都处于静息状态。在应对损伤时，这些处于静息状态的细胞会被激活，然后扩增并获得相应的细胞命运，分化形成新的肌纤维以及其他具有自我更新的能力的细胞来补充静息干细胞库【3,4】。小鼠转基因、体内标记和最近的单细胞转录分析表明，静息卫星细胞（Quiescent satellite cells，QSCs）之间存在异质性。但是这种异质性是如何受到年龄的影响以及这种影响是如何作用于肌肉干细胞的命运以及再生能力的还不得而知。

为此，作者们希望达到的目标是实现鉴定静息卫星细胞的分子和功能特性并识别细胞表面受体，便于通过流式细胞术对不同的静息卫星细胞进行分离。作者们使用ImaGEO技术对来自五个不同实验室的静息状态和激活状态的卫星细胞进行了转录数据的荟萃分析【5】。

通过对上调基因分析，作者们发现Cd34——一个许多干细胞种类中细胞表面标记物——出现了明显的上调。通过耦联静息卫星细胞相关的细胞标记物进行免疫染色的方法，作者们确认了CD34的表达与静息卫星细胞相关。但是静息卫星细胞中CD34的表达也并非均质的，作者们发现其中各有约15%的细胞具有极高与极低的CD34的表达，分别被标记为CD34H以及CD34L。

这种细胞标记物表达的异质性引发了作者们的兴趣。作者们通过对这两群细胞进行分析后发现，CD34表达水平不同的静息卫星细胞具有截然不同的细胞转录状态。而且CD34表达量较高的静息卫星细胞比起CD34L的细胞能够产生更具有再生能力的肌纤维以及具有自我更新能力的卫星细胞（图1）。

图1 CD34H比CD34L的静息卫星细胞具有更高的分化成为肌纤维以及生成自我更新的干细胞的能力

表达高水平CD34的静止干细胞在年龄较小的时候出现并在受伤后进行自我更新，而那些表达低水平CD34的干细胞则被启动并限制为肌原细胞的命运。基于这种分类，作者们将这些状态分别称为“Genuine”状态和“Primed”状态。但是在Genuine状态的细胞与Primed状态的细胞之间的明显界限会在极度年老的状态中逐渐失去。那么静息卫星细胞的Genuine状态是如何维持的呢？

为此，作者们对最富集转录因子结合基序进行了分析。作者们发现，在此分析中FoxO（Forkhead box O）家族的DNA的识别基序在的占据比例非常高（图2）。进一步地，作者们进行了ATAC-seq进行全基因组的可及性分析，作者们发现虽然总体上的基因可及性没有较大的差异，但是Genuine状态相关的基因在CD34H的细胞中可及性更高；相应地，Primed状态的相关的核心基因在CD34L的细胞中可及性更高。该结果强调了FoxO转录因子在控制静息卫星细胞的Genuine状态中重要作用。通过RNA-seq作者们对FoxO信号通路影响的基因进行了分析，作者们发现FoxO在静息卫星细胞中既能够介导转录激活又能够调控转录抑制，是一个转录调控的多面手。通过将FoxO家族的三个因子进行敲除，作者们发现FoxO信号通路的主要作用是维持静息卫星细胞的Genuine状态，在FoxO敲除后会导致Primed状态的基因表达程序启动，使得静息卫星细胞失去Genuine状态并最终导致对再生能力的不可逆伤害。

总的来说，该工作发现FoxO转录因子会作为静息卫星细胞Genuine状态的安全哨兵，对于维持静息卫星细胞的干性以及周转具有非常关键的作用，以响应不同的再生需求。而随着年龄的逐渐增长使得肌肉干细胞的Genuine状态与Primed状态的界限逐渐模糊，造成有害的功能结果。未来，通过了解FoxO分子的多样性以及其在生命体中的变化过程，将有利于对肌少症等疾病进行再生医学方面的研究，更多地解决病人的困境。

图3 工作模型