控制骨骼肌内脂肪沉积的分子命运开关

撰文 | 咸姐

责编 | 兮

骨骼肌是人体最具活力和可塑性的组织之一，约占身体总重量的40%，含有身体所有蛋白质的50%到75%。一般而言，肌肉的质量取决于蛋白质合成和降解之间的平衡，这两个过程对营养状况、激素平衡、体力活动/运动、损伤或疾病等因素都很敏感。毫无疑问，骨骼肌对于力量产生、运动、体温调节和代谢稳态是必不可少的【1】。

骨骼肌是一个高度组织化的结构，由平行的肌纤维和相关的肌肉干细胞（MuSC）和间质细胞组成，然而，当脂肪和纤维化组织浸润时，这种结构就会变得紊乱，肌内脂肪沉积，导致肌肉功能障碍，常见于肌肉营养不良症或正常的衰老过程中。而这些脂肪和纤维浸润来源的原代细胞类型是一种间充质基质细胞——纤维脂肪生成祖细胞（fibroadipogenic progenitor，FAP）【2,3】。

FAP具有多潜能，包括成纤维、成脂肪、成软骨和成骨潜能。在健康的肌肉中，FAP已被证明是维持骨骼肌内稳态所必需的；损伤后，FAP则被发现对免疫细胞募集和肌肉扩张至关重要，以支持有效的骨骼肌再生【4】。然而，FAP在损伤或退行性环境中的不受控制的扩张和持久性将导致这些细胞转化为有害的脂肪和纤维形成的命运【5】。可以想见，预防FAP向脂肪细胞或纤维细胞的转化对于预防衰老或退行性疾病的病理改变和维持骨骼肌功能具有重要意义。然而，目前对于调控这些命运决定的分子机制仍知之甚少。

近日，来自美国斯坦福大学的Thomas A. Rando团队在Cell Stem Cell上在线发表题为 Targeting microRNA-mediated gene repression limits adipogenic conversion of skeletal muscle mesenchymal stromal cells 的文章，发现了一个控制FAP向脂肪细胞分化的分子命运开关——miR-206:Runx1轴，miR-206在激活的FAP中的表达增加，可以以一种非经典方式与Runx1转录本结合，从而抑制Runx1的表达增加和异常的细胞命运转换；反之，当miR-206水平降低时，Runx1可与脂肪生成基因转录起始位点结合并增加这些基因的表达。由此揭示了FAP命运决定和骨骼肌有害脂肪沉积形成的分子机制，并为未来限制骨骼肌脂肪浸润的治疗干预提供了一种新的手段。

为了探讨FAP介导脂肪生成的分子机制，本文研究人员采用荧光活化细胞分选技术（FACS）纯化FAP，并在体外用成脂分化培养基（ADM）处理分离的细胞，以诱导脂肪生成，诱导6天后，约86%的细胞转化为围脂滴蛋白阳性的脂肪细胞。随后，考虑到miRNA的表达可对环境因素作出快速反应，研究人员在脂肪诱导后24小时检测了miRNA转录组的变化，结果发现40个差异表达大于5倍的miRNA，其中一种被认为只在肌肉组织的肌原细胞中起作用的miRNA——miR-206，被发现在新鲜分离出来的FAP中几乎不存在，但是当用基础培养基（BM，一种通常不会诱导大量脂肪生成的体外条件）培养2天后，其在FAP中表达增加，而在成脂诱导后又显著降低。进一步地，体外和体内实验均发现miR-206的抑制可增加FAP的脂肪形成分化，而用miR-206的模拟物（mimics）维持FAP中的miR-206的活性则可抑制成脂分化；同时，用BaCl2诱导小鼠骨骼肌损伤后，可发现骨骼肌miR-206敲除（KO）的小鼠的再生骨骼肌中积累了更多的脂肪沉积，而将miR-206 mimics转入miR-206 KO小鼠分离的FAP时，FAP的成脂倾向显著降低，达到与野生型（WT）FAP相似的水平。由此表明miR-206是FAP脂肪形成的基本调控因子，并且其在体内限制FAP的脂肪形成是细胞的固有作用，此外，研究还发现这种miR-206依赖性脂肪生成不是FAP所独有的，而是在间充质基质细胞的成脂命运决定中具有更广泛的作用。值得一提的是，在限制成脂分化的条件下，FAP并没有被驱动转向纤维发生这种替代的细胞命运。

那么miR-206依赖性FAP成脂机制是怎样的呢？研究人员对在BM中培养2天的miR-206 KO和WT FAP进行了比较RNA测序（RNA-seq），并鉴定了两个细胞群之间差异表达的基因，同时用IPA（Ingenuity Pathway Analysis）对miR-206 KO中的差异转录因子进行功能分析，由此证实miR-206 KO的转录组富集了脂肪生成程序的基因，体内分析也表明缺乏miR-206的FAP为脂肪生成做好了准备，并在损伤后进入脂肪生成程序。随后，研究人员利用一种改良的标记miRNA pull-down和测序（LAMP-seq）实验确定miR-206的靶点，体外和体内实验均证实miR-206可以以一种非典型的方式与转录因子Runx1的第1个外显子直接结合。miR-206与Runx1转录本的结合并不会导致其转录本的降解，而是抑制了Runx1的翻译，使其蛋白表达量降低，在FAP原代细胞中干扰这种相互作用会导致脂肪生成的增加。与此同时，功能缺失和功能获得性实验证实，Runx1可独立于miR-206而在FAP脂肪形成过程中发挥重要的作用，其可以与在早期脂肪形成中重要的脂肪生成基因的转录起始位点（TSS）附近的潜在调控序列结合，从而在FAP成脂过程中调控这些成脂基因的表达。进一步研究发现，在肌肉再生过程中，这些成脂基因在miR-206 KO的FAP中表达增加。而在小鼠体内脂肪浸润模型（甘油损伤模型）中给予miR-206 mimics可以限制有害脂肪浸润，同时最大限度地减少对肌肉生成的影响，由此证明了靶向miR-206:Runx1的脂肪生成能有效地减少病理变化。

综上所述，本文报道了一种减缓骨骼肌间充质基质细胞向脂肪细胞转化的分子机制，揭示了一个调节FAP向脂肪细胞转化的非典型miRNA靶向机制——miR-206-Runx1分子轴，从而提出了一个限制脂肪浸润及其对骨骼肌有害影响的潜在靶向通路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.04.008

参考文献

1. Frontera, W.R., and Ochala, J. (2015). Skeletal muscle: a brief review of structure and function. Calcif. Tissue Int. 96, 183–195.

2. Tuttle, L.J., Sinacore, D.R., and Mueller, M.J. (2012). Intermuscular adipose tissue is muscle specific and associated with poor functional performance. J. Aging Res.2012, 172957.

3. Marshall, W.H., Aurelia, D., Christopher, L. et al. (2019). Fibroadipogenic progenitors are responsible for muscle loss in limb girdle muscular dystrophy 2B.Nat Commun. 10: 2430.

4. Wosczyna, M.N., Konishi, C.T., Perez Carbajal, E.E. et al (2019). Mesenchymal Stromal Cells Are Required for Regeneration and Homeostatic Maintenance of Skeletal Muscle. Cell Rep. 27, 2029–2035.e5.

5. Lemos, D.R., Babaeijandaghi, F., Low, M. et al (2015). Nilotinib reduces muscle fibrosis in chronic muscle injury by promoting TNF-mediated apoptosis of fibro/adipogenic progenitors. Nat. Med. 21, 786–794.