Genome Biol丨解析骨骼肌干细胞在谱系进展过程中的内源性DNA G-四链体动态变化、生物学功能及其分子机制

骨骼肌约占成年人体重约40%，对呼吸、代谢、体温保持、运动等基本生命活动有重要的调控作用。正常骨骼肌具有很强的再生能力，在急性或者慢性损伤情况下能迅速再生，修复损伤的组织。作为一种成体干细胞，骨骼肌干细胞（MuSC）是骨骼肌再生的主要来源，其功能受到细胞内源和外源因子构成的基因表达调控网络的精确控制。该网络的失调会造成MuSC功能的丧失和肌肉相关疾病的发生。作为一种非典型核酸二级结构，G-四链体（G-quadruplex，G4）是一种在富含鸟嘌呤的单链 DNA 或 RNA 序列中形成的四链螺旋结构。近年来研究发现DNA G4作为一种结构因子能够调节体内多种生物过程，包括转录、复制、DNA 修复和端粒稳定性的维持等，与人类疾病例如癌症和神经退行性疾病的发生密切相关。然而其在成体干细胞谱系进展过程中的功能及相关机制还鲜有报道。

近日，香港中文大学医学院矫形外科及创伤学系王华婷/陈小娜团队以及香港中文大学（深圳）孙昊团队在Genome Biology杂志上发表了题为DNA G-quadruplex profiling in skeletal muscle stem cells reveals functional and mechanistic insights的文章。该研究系统解析了小鼠和人类骨骼肌干细胞在谱系进展过程中的内源性DNA G-四链体动态变化、生物学功能及其分子机制，为揭示骨骼肌干细胞的内在调控网络提供了新视角，并为肌肉疾病治疗奠定理论基础和潜在新靶点。

研究团队首先采用G4 CUT&RUN-seq技术，绘制了小鼠MuSCs在静息阶段（FISC）、激活增殖阶段（ASC）及分化阶段（DSC）的G4形成图谱。结果显示，MuSCs激活过程中G4形成显著增强，而分化后则明显降低。这些在ASC中增加的G4结构主要富集于基因启动子区域，并与细胞周期、DNA复制等生物过程密切相关。在人FISC和ASC中的G4 CUT&RUN-seq结果亦呈现相似趋势，并涉及相同的细胞信号通路调控。在功能层面，利用G4配体PDS扰动G4可显著抑制ASC的增殖以及急性损伤诱导的小鼠肌肉再生过程，表明ASC中G4形成对细胞增殖和肌肉再生至关重要。

整合RNA-seq和ATAC-seq数据分析进一步揭示，激活诱导的G4主要定位于启动子和染色质开放区域，并与基因转录调控高度相关。有趣的是，在MuSCs激活过程中，G4既可促进也可抑制基因转录，这种双向调控功能与不同的染色质修饰密切关联。

在分子机制方面，结合Micro-C数据分析显示，G4富集于3D基因组DNA loop锚点，并与loop强度及基因表达呈正相关。PDS处理显著削弱了G4位点的DNA looping和基因转录。同时，G4与转录因子MAX在ASC中的结合位点高度重叠，提示G4可能通过与MAX互作调控DNA loop形成，从而影响基因转录。后续生化实验证实了G4与MAX的直接结合能力，而敲低MAX表达则抑制了G4位点的loop形成和基因表达。在小鼠MuSCs中敲低MAX亦显著阻遏了MuSCs增殖和肌肉再生。上述全局调控功能与机制在细胞周期调控因子Ccne1启动子区域得到进一步验证，证实Ccne1为ASC中G4/MAX的调控靶点。

综上所述，该研究首次阐明了内源性G4在MuSCs中的动态重塑及其生物学作用，并揭示了G4介导转录调控的分子机制。

香港中文大学医学院杨锋博士，张甦洋博士，陈小娜博士为论文的共同第一作者，通讯作者为香港中文大学（深圳）孙昊教授及香港中文大学陈小娜博士和王华婷教授。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-025-03753-w?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20250905&utm_content=10.1186%2Fs13059-025-03753-w

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