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细胞是生命的基本单位。在多细胞生物中，细胞组织成组织。这使得分工成为可能，组织通过特化细胞类型的协调行动来执行复杂任务。因此，细胞集体决定组织功能。目前缺乏对实体组织中存在哪些细胞类型的全面概述。以骨骼肌为模型，我们讨论了细胞类型分类的基本原则，从文献中总结了
细胞是生命的基本单位。在多细胞生物中，细胞组织成组织。这使得分工成为可能，组织通过特化细胞类型的协调行动来执行复杂任务。因此，细胞集体决定组织功能。目前缺乏对实体组织中存在哪些细胞类型的全面概述。以骨骼肌为模型，我们讨论了细胞类型分类的基本原则，从文献中总结了62个基于谱系、分子特征和功能的统一细胞类型定义，并讨论了这些细胞类型如何促进肌肉功能。对于有定量数据的细胞类型，我们比较了免疫组化（immunohistology）和单细胞RNA测序（single cell RNA sequencing, scRNAseq）及单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing, snRNAseq）中的丰度，揭示了每种方法中通常过度代表或代表不足的细胞类型。其结果是形成一个细胞类型资源，将作为骨骼肌单细胞研究的基准。
细胞类型定义
研究人员首先探讨了细胞类型的定义问题。尽管细胞分类对于可重复研究至关重要，但尚不存在普遍适用的细胞类型定义。细胞具有特定的发育历史，具备可识别的特征，并执行可通过测量用于分组的特化功能，这些分组即称为细胞类型。然而，不同特征定义的细胞类型是否相互一致往往不清楚，部分原因是任何特征在单个细胞间都存在异质性。因此，理想的细胞类型定义应包含多个特征。细胞类型在细胞保留（去）分化能力时可能具有可塑性，并可能以多种细胞状态存在。细胞状态反映细胞响应环境时所参与的各种过程。细胞类型与细胞状态之间的区别并不总是清晰。研究人员收集了骨骼肌中细胞的谱系、功能和特征描述，编制了62个统一细胞类型定义的列表。根据五个主要谱系对这些细胞类型进行分组以突出发育关系，并图形化展示了其形态特征。轴旁中胚层产生20种基质细胞类型。来自轴旁中胚层的体节形成生皮肌节，其产生肌源性细胞，以及硬节，其产生平滑肌、结缔组织和骨细胞。外胚层来源的神经嵴细胞产生13种神经元细胞类型。侧板中胚层产生9种共享PECAM1（CD31）表达的内皮细胞类型和1种上皮细胞类型。原始中胚层产生共享PTPRC（CD45）表达的免疫细胞。大多数细胞类型（81%）已在人类和小鼠肌肉中被报道，表明这些物种间细胞类型高度保守。然而，细胞类型标记基因在物种间存在差异。其余细胞类型研究不足，仅在单一物种、特定条件下被报道（11%）（如老年人中的脂肪细胞），或作为与已知其他组织细胞类型匹配的分子特征（8%）（如内皮干细胞）。
细胞微环境
62种细胞类型通过在区室化微环境中相互作用共同调节骨骼肌功能。这些微环境在解剖学上定义，并在肌核亚群中留下独特的分子特征。肌腱连接处附近的肌核表达调节肌腱连接的基因，以响应肌纤维与周围基质及附近肌腱细胞之间的相互作用。第二个微环境出现在神经支配位点。神经肌肉接头（NMJ）附近的肌核特异性表达突触后形成基因，以响应与支配神经元的相互作用。肌核也响应与血管网络的相互作用。此类相互作用由分泌分子介导，并影响纤维类型和血管生成。最后，分泌分子介导肌纤维与免疫细胞之间的相互作用，导致独特的局部转录特征。
细胞类型功能
肌肉组织
骨骼肌组织中最典型的细胞类型是梭外肌纤维。肌纤维是多核合胞体，直径可达100 μm，长度可达数十厘米。在远端，它们通过肌腱连接与肌腱相连。人类肌纤维通常贯穿肌肉全长，而小鼠肌纤维常终止于束内。肌纤维的特征是外周肌核和中央肌原纤维，后者构成收缩装置。其分子定义为骨骼肌肌动蛋白（ACTA1）和编码收缩装置的基因（MYOT、TTN）的表达。梭外肌纤维可根据基因表达和收缩特性进行亚分类。I型（慢缩）肌纤维表达肌球蛋白重链7（MYH7）、肌钙蛋白C1、I1和T1（TNNC1、TNNI1、TNNT1）、原肌球蛋白3（TPM3）和氧化磷酸化基因（PPARGC1A）。这些基因编码的蛋白质能够支持持续的、低力收缩和耐力活动。II型（快缩）肌纤维表达TNNC2、TNNI2、TNNT3和TPM1。它们可根据肌球蛋白表达进一步分为IIA型（MYH2）、IIX型（MYH1）和IIB型（MYH4）肌纤维，收缩特性依次加快。II型肌纤维支持爆发性活动。重要的是，虽然基于肌球蛋白的肌纤维分类对小鼠肌肉效果良好，但对人类肌肉不太适用，因为人类肌肉含有表达多种肌球蛋白的中间型肌纤维。最后，再生中的肌纤维较细，以中央肌核和MYH3表达为特征。梭外肌纤维可响应神经活动变化而改变肌球蛋白表达。由于这种纤维类型转换仅发生在长期活动变化之后，研究人员将纤维类型视为细胞类型而非细胞状态。
骨骼肌还含有位于称为肌梭的本体感觉器官内的梭内肌纤维。肌梭具有独特的结缔组织鞘，充满粘性液体，嵌入肌束之间。与梭外肌纤维相比，梭内肌纤维更短更细。它们可根据形态分为核链纤维、静态核袋纤维和动态核袋肌纤维，均表达MYL2和泛肌纤维标记。目前尚无独特标记区分梭内肌纤维亚型。然而，人类核链纤维表达MYH3、MYH6和MYH8，而静态核袋纤维表达MYH7，动态核袋纤维表达MYH7和MYH8。梭内纤维通过检测肌肉长度和张力的变化在本体感觉中发挥关键作用。这种感觉反馈实现精细运动控制，肌梭密度在参与精细、精确运动的肌肉中最高。
由于肌纤维长度显著且反复收缩，极易受损。骨骼肌拥有修复此类损伤的机制。首先，肌纤维可自我修复膜撕裂和肌节断裂，任一机制缺失都会导致肌营养不良症。其次，肌纤维可由肌肉干细胞（MuSCs）再生。MuSCs最初因其解剖位置被定义为卫星细胞，位于基板下的肌纤维旁。它们与梭外和梭内肌纤维相关联，具有异染色质核和长突起。PAX7是典型标记，但MuSCs也表达NOTCH靶基因和CALCR。在稳态期间，MuSCs处于静止状态，即长期可逆的细胞周期退出。静止状态在转录后水平调控，静止的MuSCs表达激活基因MYF5和MYOD1的mRNA，但不表达相应蛋白。耗尽PAX7阳性细胞会消除肌肉的再生能力。此外，MuSCs可能在某些（但非全部）肌肉中参与梭外肌纤维的肥大以及梭外和梭内肌纤维的维持。最后，小鼠骨骼肌含有肌源性祖细胞，即表达CD9和CD104的MuSCs的定向后代。其功能仍知之甚少。
肌腱微环境
肌肉收缩时，力通过肌腱传递。肌腱主要由直径达300 μm的粗大胶原纤维组成，延伸至肌腹，在那里展平形成腱膜。肌腱区域的主要细胞类型是肌腱细胞。成熟肌腱细胞是长形细胞，具有长而细的突起。它们表达scleraxis（SCX）、tenascin C（TNC）和mohawk（MKX）。值得注意的是，KRT7和tenomodulin（TNMD）分别独特标记人类和小鼠肌腱细胞。肌腱细胞产生对肌腱维持和修复至关重要的细胞外基质（ECM）成分。耗尽SCX阳性细胞导致肌肉附着缺陷，SCX种系缺失损害肌腱生长和修复。然而，最近一项研究表明SCX在激活的MuSCs中瞬时表达，表明删除研究应谨慎解读。
纤维脂肪祖细胞（FAPs）是一种间充质干细胞类型，存在于毛细血管基底膜和基板外的整个间质中。它们表达间充质干细胞标记THY1和NT5E，以及基质标记PDGFRA、TCF4和HIC1。与人类FAPs不同，小鼠FAPs表达LY6A和CD34。在稳态期间，FAPs处于静止状态。损伤后，它们增殖并可分化为脂肪细胞、肌成纤维细胞、软骨细胞、骨细胞，可能还有肌腱细胞。FAPs通过支持MuSCs和调节免疫细胞募集在肌肉稳态中发挥核心作用。耗尽PDGFRA阳性细胞导致肌肉萎缩和修复缺陷，耗尽TCF4阳性细胞损害肌肉修复。相反，HIC1缺失导致FAP激活和肌肉修复缺陷。
脂肪细胞在老年人肌肉——但非老年小鼠——以及肌营养不良症和心脏代谢疾病等各种病理情况下常见。它们位于肌腱区域附近的间质空间。脂肪细胞可进一步分类。白色脂肪细胞是老年人类肌肉中的主要脂肪细胞类型。它们含有单个脂滴，表达脂联素（ADIPOQ）、perilipin（PLIN1）和瘦素（LEP）。它们在骨骼肌中的功能尚不清楚，但在其他组织中它们实现脂肪储存和脂肪因子信号传导。棕色脂肪细胞未在健康骨骼肌中观察到，但出现在小鼠肌肉损伤后。这些细胞与MuSCs共享发育起源，并可在体外从FAPs衍生。棕色脂肪细胞含多个脂滴、高线粒体含量，并表达解偶联蛋白1（UCP1）、CIDEA和PRDM16。它们在骨骼肌中的功能仍未知，但在棕色脂肪组织中，它们介导产热和batokine信号传导。
肌成纤维细胞是肌腱附近的收缩细胞，表达胶原蛋白、平滑肌肌动蛋白（ACTA2）和信号分子（IL7）。虽然它们在肌肉中的功能尚未明确，但其分子特征提示其在细胞外基质形成和免疫调节中的作用。它们随年龄增长而积累。软骨细胞和骨细胞分别产生基质和钙沉积。软骨细胞表达定型因子SOX9和ECM蛋白CNMD和HAPLN1，而骨细胞表达osterix（SP7）和骨桥蛋白（SPP1）。虽然这两种细胞类型均未在健康肌肉中报道，但它们分别出现在骨/肌肉骨折或炎症反应中。
神经肌肉微环境
骨骼肌收缩是随意的，由神经通过兴奋-收缩耦联启动，并由感觉神经元的反馈调节。
肌纤维由运动神经元支配。运动神经元胞体位于脊髓腹角或脑干，延伸长有髓轴突进入肌肉，终止于NMJ。每条肌纤维由单个运动神经元支配，而每个运动神经元支配多条肌纤维。由单个运动神经元支配的肌纤维组称为运动单位。运动神经元表达胆碱乙酰转移酶（CHAT）和SV2B，并向NMJ释放乙酰胆碱以触发肌纤维收缩。运动神经元可根据解剖、标记表达和功能进行亚分类。α-运动神经元支配梭外肌纤维，表达RBFOX3、VIPR2和SPP1。α-运动神经元缺失导致肌肉萎缩。β-运动神经元同时支配梭内和梭外肌纤维，表达GPR149和RREB1等标记。它们确保梭内肌纤维与梭外肌纤维同步收缩。γ-运动神经元支配梭内肌纤维，表达ESRRG、ESRRB和GDNF受体GFRA1。γ-运动神经元在GDNF种系缺失后选择性丧失，但这不影响梭内纤维大小或行走能力，可能是因为β-运动神经元可以补偿。
与运动神经元不同，神经内分泌细胞在NMJ之外分泌神经递质和神经激素。它们已在靠近胆碱能神经末梢的大鼠膈肌中被记录，表达嗜铬粒蛋白A（CHGA），一种可加工成多种生物活性肽的前蛋白。CHGA敲除小鼠显示肌肉质量和运动诱导的再生减少。这在多大程度上取决于骨骼肌中神经内分泌功能的丧失仍未知。
肌肉收缩时，感觉神经元将信息传回中枢神经系统。感觉神经元胞体位于背根神经节，其树突终止于肌肉。它们表达PIEZO2和ATP1A3。感觉神经元缺失导致共济失调步态和腱反射消失。感觉神经元可根据解剖和功能进行亚分类。1型和2型感觉神经元以环螺终末支配梭内肌纤维。1a型感觉神经元粗、髓鞘致密，以LMCD1和TRKC表达为标记。它们感知肌肉长度和收缩速度的变化。TRKC种系缺失导致1a型感觉神经元缺失，小鼠无法在旋转杆上保持直立姿势。1b型感觉神经元特异性支配肌腱区域的肌梭，也称为高尔基腱器官，表达POU4F3和CHAD。它们感知肌肉张力。ER81种系缺失导致1b型感觉神经元缺失和高尔基腱器官缺失，导致小鼠移动变慢。2型感觉神经元细、髓鞘致密，主要支配核链纤维。它们表达FXYD7，并在无运动时表现出振荡放电模式。3型和4型感觉神经元具有不终止于特化感受结构的游离感觉神经末梢。这些细胞实现伤害感受和温度感受。3型感觉神经元具有薄髓鞘，而4型树突无髓鞘。两种细胞类型均以CGRP和P物质为标记，但分子分离尚不可能。3型和4型感觉神经元响应代谢物（如乳酸）、低pH或热刺激，因此在感知肌肉疲劳和疼痛中发挥关键作用。
骨骼肌也受内脏神经系统影响。交感神经元的无髓轴突沿动脉分布并深入肌肉，终止于血管周围细胞附近。交感神经元以酪氨酸羟化酶（TH）为标记。给予毒性多巴胺类似物6-OHDA导致交感去神经支配、肌肉毛细血管周细胞覆盖减少和血流量减少。此外，交感神经元分泌的去甲肾上腺素触发周细胞分泌血管生成素，其信号使MuSCs保持静止。交感去神经支配导致MuSC激活和融合。
大多数外周神经元受施万细胞保护，施万细胞是外周神经系统中的胶质细胞。施万细胞以螺旋方式包裹轴突和本体感觉树突，形成保护性髓鞘，实现电信号的快速传递。施万细胞表达S100、SOX10和髓鞘碱性蛋白（MBP）。NMJ处的施万细胞不形成髓鞘或包裹轴突，而是纵向排列覆盖神经末梢，称为终末施万细胞。它们表达S100但不表达MBP，并维持NMJ完整性。响应神经损伤，髓鞘形成和终末施万细胞可去分化为修复施万细胞。修复施万细胞表达c-JUN，促进轴突存活、轴突生长和神经再支配的重新建立。
