炎症诱导的H4K20me1表观遗传侵蚀驱动衰老干细胞铁死亡的新机制

本研究针对衰老过程中肌肉干细胞(MuSCs)功能衰退的机制展开深入探索。研究人员发现慢性炎症通过下调组蛋白甲基转移酶Kmt5a，导致H4K20me1表观标记的丧失，进而引发铁依赖性细胞死亡(ferroptosis)。该研究揭示了炎症-表观遗传-铁死亡轴在肌肉衰老中的关键作用，为抗衰老治疗提供了新靶点。研究成果发表于《Nature Aging》。

　　

随着年龄增长，人体肌肉质量和功能逐渐衰退，这种现象与肌肉干细胞(MuSCs)的数量减少和功能异常密切相关。虽然已知慢性低度炎症是衰老的重要特征，但其如何具体影响MuSCs的衰老过程仍不清楚。更令人困惑的是，为何衰老的MuSCs会逐渐消失？它们经历了怎样的命运？这些问题成为理解肌肉衰老机制的关键。

美国威斯康星大学麦迪逊分校和罗切斯特大学医学中心的研究团队在《Nature Aging》发表重要研究成果，揭示了炎症通过表观遗传调控驱动MuSCs铁死亡的新机制。研究发现，衰老相关的炎症信号会特异性降低组蛋白H4第20位赖氨酸单甲基化(H4K20me1)水平，这种表观遗传标记的丧失导致MuSCs退出静息状态，并最终走向一种铁依赖性的程序性细胞死亡——铁死亡(ferroptosis)。这一发现不仅阐明了MuSCs在衰老过程中的消失机制，更为干预肌肉衰老提供了新的治疗靶点。

研究采用了多种前沿技术方法：通过蛋白质组学分析年轻和老年小鼠血浆中100多种细胞因子的变化；利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)解析MuSCs的转录组特征；采用CUT&Tag技术绘制H4K20me1在全基因组的分布图谱；运用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)精确测定细胞内铁含量；通过PRO-seq分析转录暂停指数；建立肌肉特异性Kmt5a敲除小鼠模型；使用抗炎药物bindarit进行长期干预实验。

研究结果部分：

系统炎症重塑衰老MuSCs表观特征
通过多组学分析发现，老年小鼠血浆中促炎细胞因子(如TNF、IL-6、CCL2等)显著升高，计算模型预测CCR2信号通路被显著激活。老年MuSCs中H4K20me1水平明显降低，负责催化这一修饰的甲基转移酶Kmt5a表达下降。急性炎症刺激可诱导MuSCs中Kmt5a的长期抑制和H4K20me1的持续减少。

Kmt5a维持静息状态和激活后存活
肌肉特异性敲除Kmt5a导致MuSCs静息状态破坏，表现为pS6水平升高和Ki67阳性细胞增加。Kmt5a缺失的MuSCs在体外培养和体内损伤后均表现出严重的存活缺陷，损伤后21天几乎检测不到再生肌纤维和存活的MuSCs。这些细胞显示出基因组不稳定特征，如γH2AX和p53磷酸化水平升高。

Kmt5a保护MuSCs免于铁死亡
单细胞转录组分析揭示Kmt5a缺失的MuSCs呈现典型的铁死亡特征：抗铁死亡基因Gpx4表达下调，铁代谢相关基因Tfrc表达上调。电子显微镜观察到典型的铁死亡形态学特征：细胞肿胀、质膜起泡、线粒体异常和铁沉积。ICP-MS检测显示Kmt5a缺失MuSCs的铁含量比野生型高70倍。

H4K20me1缺失连接衰老与MuSCs铁死亡
CUT&Tag分析发现老年MuSCs中H4K20me1在Gpx4基因启动子区域的信号显著减弱。流式细胞术证实42%的老年MuSCs呈现铁死亡特征(Annexin V阴性但脂质过氧化水平高)，而仅27%表现为凋亡。老年MuSCs基础脂质过氧化水平比年轻MuSCs高1.5倍。

慢性炎症模拟Kmt5a缺失表型
长期给予年轻小鼠CCR2配体(CCL2/7/8)可诱导MuSCs中Kmt5a表达下降、H4K20me1水平降低和铁死亡特征。同样，老年血浆输注也能在年轻小鼠中重现这些表型，而CCR2中和抗体可逆转这些效应。

抗炎干预延缓MuSC衰老
从12月龄开始每周给予抗炎药物bindarit治疗至24-30月龄，可显著维持老年MuSCs数量，降低细胞内铁含量和脂质过氧化水平，改善肌肉再生能力和力量恢复。bindarit处理老年小鼠的血浆输注给年轻小鼠，可预防MuSCs衰老表型的出现。

这项研究首次建立了炎症-表观遗传-铁死亡的分子轴，阐明了慢性炎症通过Kmt5a/H4K20me1调控MuSCs铁死亡的具体机制。研究发现不仅揭示了MuSCs在衰老过程中数量减少的细胞命运，更重要的是提出了通过靶向CCR2信号通路干预肌肉衰老的新策略。长期抗炎治疗可有效维持老年MuSCs库，这为开发抗衰老干预措施提供了重要理论基础。值得注意的是，铁死亡可能是多种组织干细胞衰老的共同机制，这一发现为理解全身性衰老过程提供了新视角。

研究也存在一些局限性，如仅使用了雄性小鼠，且主要关注H4K20me1而忽略了其他可能的表观遗传修饰的贡献。未来研究需要进一步明确bindarit的确切作用机制，并探索这一通路在其他组织干细胞衰老中的作用。这些发现为开发针对年龄相关性肌肉萎缩的治疗方法开辟了新途径，具有重要的临床转化潜力。