揭示静息与活化肌肉干细胞基质组特征：重塑微环境调控干细胞命运的新视角

本刊推荐：为解决肌肉干细胞（MuSC）微环境（niche）中细胞外基质（ECM）组成与功能不清的问题，研究人员通过生物信息学分析与光片成像技术，系统解析了静息（qMuSC）与活化（aMuSC）状态MuSC的基质组（matrisome）特征，发现qMuSC高表达基底膜区（BMZ）基因（如Col19a1、Lama3）及神经发生相关基质基因，而aMuSC则转向 motility 相关基因表达。该研究揭示了ECM在局部调控MuSC状态中的关键作用，为肌肉再生治疗提供了新靶点。

　　

在成年哺乳动物的骨骼肌中，肌肉干细胞（Muscle Stem Cells, MuSCs）作为维持组织稳态和驱动损伤后修复的关键细胞群体，通常处于静息（quiescent, qMuSC）状态，镶嵌在肌纤维（myofiber）的基底膜（basement membrane, BM）与肌膜（sarcolemma）之间。这一特殊微环境（niche）的细胞外基质（extracellular matrix, ECM）成分及其动态变化如何调控MuSC的命运决定——是维持静息、还是激活增殖并参与再生——一直是肌肉生物学领域的核心问题。尽管已知某些胶原蛋白（如胶原V和VI）在维持静息或促进自我更新中发挥作用，但MuSC自身是否主动塑造其周围ECM，以及静息和活化状态下的ECM分子全景（即“基质组”，matrisome）有何根本差异，仍缺乏系统性的阐释。

为此，来自法国里昂大学、日本大分大学和法国巴黎东克雷泰尔大学的研究团队在《Stem Cell Reports》上发表了最新研究，通过整合生物信息学分析、单核RNA测序（snRNA-seq）和三维光片荧光显微镜技术，首次系统描绘了小鼠骨骼肌中qMuSC和活化MuSC（activated MuSC, aMuSC）的基质组特征，揭示了MuSC不仅是微环境的“响应者”，更是其ECM的主动生产者与重塑者，并鉴定出多个此前未知的MuSC标志物及与神经发育相关的ECM调控机制。

研究人员为开展本项研究，主要应用了以下几类关键技术：一是利用已发表的转录组数据（包括bulk RNA-seq和snRNA-seq）进行生物信息学再分析，通过Matrisome Annotator工具界定基质组基因集，并采用DESeq2和Seurat软件进行差异表达分析；二是通过机械法分离并固定小鼠胫骨前肌肌纤维束，结合免疫荧光染色（标志物包括M-cadherin、胶原I、III、XIX、Lama3、Aebp1等）和光片显微镜三维成像，可视化MuSC形态及其周边ECM拓扑结构；三是自主开发针对胶原XIX（Collagen XIX, Col19a1）的抗体，并通过免疫组织化学验证其在神经肌肉接头（NMJ）和MuSC胞内的特异性分布；此外，还利用STRING数据库进行蛋白互作网络分析，并通过基因本体（GO）富集分析揭示功能通路。

研究结果主要包括以下几方面：

一、qMuSC表达丰富的基质组基因，尤其基底膜区成分与神经发生相关分子

通过对静息MuSC转录组数据的分析，发现其表达242个基质组基因（占小鼠基质组基因集的22%），其中核心基质组（core matrisome）占比37%，包括19种胶原基因（如Col5a1、Col6a1、Col4a1/2、Col15a1、Col19a1）。特别值得注意的是，Col19a1、Hmcn2、Thsd4、Aebp1等基底膜区（BMZ）相关基因表达水平极高。GO分析显示，qMuSC的基质组显著富集于“基底膜组成”、“细胞粘附”等术语，同时出乎意料地高度富集“神经发生相关”基因，如Semaphorin 6A（Sema6a）及其受体Plexin A2（Plxna2）、Plexin D1（Plxnd1），以及Slit2/3、Tenascin C/R等。这些分子通常参与轴突导向和神经元形态发生，提示它们可能调控MuSC特有的长突触形态。

二、MuSC形态高度异质，多具神经元样突起

借助光片显微镜对肌纤维束中MuSC进行三维形态重建，发现超过80%的qMuSC表现出不同形态的细胞突起：36%为单一长突起，26%为不对称多突起，仅19%为经典的双对称长突起，另有少数细胞无突起或具短突。这种形态多样性提示静息状态下的MuSC其实处于动态的形态重塑中，而非完全静止。

三、胶原I富集区域特异界定MuSC微环境

尽管qMuSC表达多种胶原基因，但免疫染色显示，仅胶原I在MuSC定位处形成明显富集区域，胶原III则分布较为弥散。通过高斯建模和空间统计，证实MuSC显著倾向于位于胶原I高密度区域（p < 0.05），表明胶原I在构筑MuSC微环境中起关键作用。

四、MuSC特异性表达新型基质标志物并参与微环境构建

通过比较MuSC与其他肌内细胞（如FAPs、内皮细胞ECs、肌核），发现一批MuSC特异高表达的基质相关基因，包括Col19a1、Lama3、Frem1、Thsd4、Aebp1、Serpini1等。免疫染色验证了Aebp1（胶原I纤维组装调控因子）和Lama3（层粘连蛋白亚基）在MuSC胞膜处强烈表达，而胶原XIX则在MuSC胞内富集，但在肌纤维界面未见分布。这些结果提示MuSC通过表达特定ECM分子主动参与其微环境的构建与维持。

五、活化MuSC下调静息相关基质基因，转而表达 motility 相关基因

对比qMuSC与aMuSC的转录组，发现aMuSC显著下调包括Lama3、Col19a1、Thsd4、Sema6a/Plxna2在内的静息特征基因，同时上调涉及基质降解（如Mmp14）、细胞迁移（如Cxcl1、Sema7a/Plxna1）等基因。GO分析显示aMuSC基质组显著富集于“细胞运动”、“locomotion”等生物学过程，表明其退出静息状态时主动降解BMZ、促进自身迁移。

六、损伤与离体激活条件下MuSC基质组重编程存在异同

尽管离体（酶解诱导）与在体（损伤诱导）激活的MuSC在大部分转录组变化上相似，但基质组重编程存在 contexto-依赖性：离体激活时共有163个基质基因发生差异表达，而在体损伤仅引起41个基因变化，其中14个为两者共享（包括Serpini1、Col19a1等）。这表明在体微环境中可能存在额外信号精细调控ECM重塑过程。

综上所述，该研究不仅系统描绘了静息与活化肌肉干细胞的基质组特征，揭示出MuSC是自身微环境ECM的主动生产者，还鉴定出Col19a1、Aebp1、Lama3等新型MuSC标志物，并意外发现神经发生相关ECM分子在维持干细胞形态与静息中的潜在作用。这些发现深化了对干细胞微环境构建机制的理解，为靶向ECM治疗肌肉退行性疾病或提高再生疗效提供了新的分子靶点与策略。