《iScience》：Comprehensive transcriptomic profiling reveals impaired polyamine metabolism as a contributor to age-related muscle decline
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肌肉减少症（sarcopenia）是骨骼肌质量和功能随年龄增长而发生的衰退，严重影响骨骼肌的结构和性能。研究人员构建了年轻和年老小鼠骨骼肌的空间转录组学图谱，解析了跨肌纤维类型和组织区室的转录重编程。分析揭示了肌节组织、兴奋-收缩偶联、氧化应激反应以及肌纤维类
肌肉减少症（sarcopenia）是骨骼肌质量和功能随年龄增长而发生的衰退，严重影响骨骼肌的结构和性能。研究人员构建了年轻和年老小鼠骨骼肌的空间转录组学图谱，解析了跨肌纤维类型和组织区室的转录重编程。分析揭示了肌节组织、兴奋-收缩偶联、氧化应激反应以及肌纤维类型特异性代谢重塑的改变。跨肌肉和跨物种的保守分子特征提示Car3可作为肌肉减少症的潜在生物标志物。研究还发现多胺生物合成酶的选择性下调，导致年老肌肉中亚精胺（spermidine）水平降低。这种下降影响肌肉驻留细胞群体，因为在鼠源和人源纤维-脂肪生成祖细胞（hFAPs）中限制多胺代谢通量可诱导衰老样特征，包括肌成纤维细胞分化、细胞外基质失调以及支持肌生成的能力受损。综上所述，这些发现揭示了肌肉衰老中空间组织性、肌纤维类型特异性和多胺相关机制，并将多胺通路定位为有前景的治疗靶点。
**论文解读：空间转录组学揭示多胺代谢受损在年龄相关肌肉衰退中的作用**
**一、研究背景与科学问题**
衰老伴随着骨骼肌质量和功能的进行性丧失，即肌肉减少症（sarcopenia），严重影响老年人生活质量并增加衰弱、残疾和死亡风险。肌肉减少症的病理机制涉及肌萎缩、线粒体功能障碍、神经肌肉接头（NMJ）退变、损伤后再生受损以及细胞衰老等多个生物学过程。其中，肌肉驻留的基质细胞——纤维-脂肪生成祖细胞（FAPs）在生理条件下支持肌肉再生，但在衰老过程中功能失调，导致慢性炎症、细胞外基质（ECM）沉积和纤维化。尽管已有大量转录组学研究，但衰老如何在不同肌纤维类型和组织空间区域中差异性地重塑基因表达，仍不完全清楚。此外，多胺代谢通路在去神经支配诱导的肌萎缩和肌萎缩侧索硬化（ALS）等疾病中被发现失调，而其在衰老肌肉中的具体作用及对FAPs功能的影响尚缺乏系统研究。该研究旨在通过空间转录组学（ST）技术，构建年轻和年老小鼠骨骼肌的转录组图谱，解析肌纤维类型特异性的衰老机制，并探讨多胺代谢失调对肌肉驻留细胞的调控作用。
**二、研究设计与技术方法**
研究人员利用10X Genomics Visium平台，对年轻（5月龄）和年老（24月龄）C57BL/6J小鼠的胫骨前肌（TA）及趾长伸肌（EDL）进行空间转录组分析，共分析3个年轻和4个年老肌肉切片。通过抗laminin和抗collagen I免疫荧光标记纤维边界和ECM支架，结合生物信息学聚类和公开的单核RNA测序（snRNA-seq）数据反卷积，鉴定了2B、2X、2A型肌纤维以及ECM、NMJ、神经、血管、肌梭和过渡区等九个主要空间簇。同时，研究人员对TA和比目鱼肌（soleus）进行组织学染色、免疫荧光、qPCR验证，并使用气相色谱-质谱联用（GC-MS）检测多胺含量。在功能实验中，研究人员从年轻和年老小鼠肌肉中通过流式细胞分选（FACS）分离FAPs和肌肉卫星细胞（MuSCs），使用AMD1不可逆抑制剂sardomozide（SARDO）处理鼠源和人源FAPs，并通过EdU掺入、免疫荧光、qPCR、transwell共培养和条件培养基实验评估细胞增殖、肌成纤维细胞分化、ECM基因表达及对肌生成的支持能力。人源FAPs为hTERT和Cdk4永生化细胞系，人成肌细胞来自四位健康供体（12-14岁）的股四头肌活检。
**三、主要研究结果**
**1. ST图谱绘制年轻和年老骨骼肌的纤维类型和组织区室**
空间转录组分析成功绘制了TA肌肉中2B、2X、2A型纤维及ECM、NMJ、神经、血管、肌梭和过渡区等九个主要簇。通过公开snRNA-seq数据投影验证，纤维类型预测与空间分类高度一致，确认了空间聚类准确性。
**2. 空间图谱鉴定肌肉衰老的关键转录改变**
伪批量分析鉴定出157个差异表达基因（DEGs），GO富集分析显示四大功能簇：肌节组织与肌肉收缩、兴奋-收缩偶联、蛋白再折叠、解毒过程。衰老肌肉中肌节结构基因（如Tcap、Myom1上调，Actn2、Ankrd2下调）和收缩相关基因（Tpm4下调，Mybpc1/2上调）发生显著改变。Car3（碳酸酐酶III）在年老TA和比目鱼肌中均强烈上调，且在小鼠和鼠的公共数据集中也一致上调，提示其作为肌肉衰老通用标志物的潜力。HSP家族成员（Hspa1a、Hspa1b等）下调，抗氧化基因（Gpx3、Gstm1）上调而Mt1/Mt2下调。自噬相关基因（Retreg1、Sqstm1）和mTOR通路抑制剂Ddit4l上调，Neat1和Zfand5也上调。尽管肌纤维横截面积（CSA）显著减少，但经典的Foxo1调控的atrogenes并未显著上调，提示衰老相关的肌肉萎缩可能涉及非经典途径。
**3. 衰老过程中骨骼肌纤维的差异代谢适应**
在TA肌肉中，衰老导致2B型纤维比例显著增加，2X型减少，2A不变，伴随Myh4表达上调并扩展到氧化型纤维区域。糖酵解评分在2B、2X、2A纤维中均显著增加，氧化磷酸化相关基因（线粒体复合物I、IV、V亚基及线粒体核糖体蛋白）全面下调，氧化评分下降。相反，比目鱼肌中Myh7（型纤维标志）表达上调，Myh2下调，型纤维比例增加，氧化表型增强。这揭示了快肌向糖酵解表型转变、慢肌强化氧化身份的肌肉类型特异性衰老适应。
**4. 多胺稳态丧失标记衰老肌纤维**
整合分析发现，多胺通路关键酶Amd1和Smox在衰老TA肌肉的2B型纤维中显著下调，而Odc1表达不变。GC-MS检测显示年老TA肌肉中亚精胺水平降低，而腐胺和精胺不变。在比目鱼肌中Amd1/2无变化，但Smox和Srm下调、Sms上调。与急性去神经和ALS模型不同，衰老小鼠肌肉中NMJ去神经标志物Myog和Hdac4未上调，而Ache和Chrna1升高，提示NMJ重塑而非广泛去神经。RNA-seq跨年龄数据表明，小鼠中Myog/Hdac4未诱导，而大鼠中显著上调并伴随Odc1诱导，显示物种差异。
**5. 多胺代谢通量破坏将FAPs重编程为衰老样状态**
snRNA-seq和GC-MS显示年老肌肉FAPs中Amd1和Smox下调且亚精胺减少。用SARDO抑制AMD1后，年轻鼠FAPs出现衰老样特征：增殖能力下降（EdU阳性率降低）、细胞周期抑制剂Cdkn1a（p21）上调、肌成纤维细胞标志物α-SMA和Acta2、促纤维化因子Ccn2和Spp1上调，而支持肌肉再生的Il33和Wisp1下调。尽管年老肌肉中胶原沉积增加（Sirius Red染色证实），但ECM基因Col1a1、Col3a1、Fn1在年老肌肉和年老FAPs中反而下调，AMD1抑制同样复现此下调。共培养实验表明，AMD1抑制的FAPs支持MuSC扩增和肌管成熟的能力受损。
**6. 多胺通量改变驱动人FAPs衰老样表型并可由亚精胺部分挽救**
人FAPs中AMD1抑制显著降低EdU阳性率并诱导CDKN1A上调，亚精胺补充不能逆转这些效应。但AMD1抑制诱导的ACTA2上调可被亚精胺显著减弱，TGFB1、CCN2、IL6的上调也被部分逆转，而SPP1和ECM基因下调不受亚精胺影响。条件培养基实验显示，AMD1抑制的FAPs条件培养基使人成肌细胞肌管成熟受损（融合指数和核数降低），而亚精胺共处理可恢复其支持肌生成的能力。
**四、讨论总结与结论**
该研究通过空间转录组学系统揭示了肌肉衰老中结构、代谢和细胞应激反应的空间组织性变化，鉴定出Car3作为跨物种的通用衰老标志物。研究发现快肌和慢肌在衰老过程中呈现相反的代谢适应轨迹：TA肌肉向糖酵解表型转变，而比目鱼肌强化氧化身份，提示肌肉类型特异性衰老机制。多胺代谢方面，Amd1和Smox下调导致亚精胺缺乏，是衰老肌肉的保守特征。通过AMD1抑制实验，研究人员证明多胺代谢失调可内在性地将FAPs重编程为衰老样状态，包括肌成纤维细胞分化、ECM基因表达紊乱和支持肌生成能力受损。亚精胺补充可部分挽救促纤维化基因表达和旁分泌支持功能，但无法恢复增殖或逆转CDKN1A上调，揭示AMD1调控FAP功能存在多胺依赖和非依赖的双重机制。该研究将多胺代谢确立为肌肉衰老的关键调控通路，为开发针对肌肉减少症的治疗策略提供了新的理论依据和潜在靶点。
