科学家创建首个人类骨骼肌发育路线图 为肌肉疾病再生细胞疗法奠定基础

美国加州大学洛杉矶分校Eli and Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心的一个跨学科研究团队开发了一个关于人类骨骼肌如何发育(包括肌肉干细胞的形成)的首个此类路线图。

这项研究发表在同行评审的《细胞·干细胞》上，确定了存在于骨骼肌组织中的各种细胞类型，从早期胚胎发育一直到成年。该小组着重研究了在出生前有助于肌肉形成的肌肉祖细胞，以及在出生后有助于肌肉形成以及在一生中受伤恢复的肌肉干细胞，他们绘制了细胞基因网络的图谱，即哪些基因是活跃的，哪些是不活跃的，它们随着细胞的成熟而变化。论文亮点如下：

人体胚胎、胎儿和成人组织中的四肢骨骼肌图谱；

人类肢体骨骼肌群和支持细胞在整个发育过程中都不同；

PAX7肌肉祖细胞和干细胞在不同发育状态下并不相同；

在人体发育过程中，hPSC-PAX7细胞与胚胎到胎儿的转变相一致

该路线图对致力于在实验室中开发肌肉干细胞的研究人员来说至关重要，这些干细胞可用于再生细胞治疗毁灭性的肌肉疾病，包括肌营养不良和肌少症，即与年龄有关的肌肉质量和力量的丧失。

 “衰老或疾病导致的肌肉损失通常是肌肉干细胞功能失调的结果。” 这篇论文的资深作者、Broad干细胞研究中心的成员阿普丽尔·派尔(April Pyle)说，“这张图谱确定了肌肉祖细胞和干细胞在整个发育过程中存在的精确基因网络，这对开发在培养皿中生成这些细胞治疗肌肉疾病的方法至关重要。”

派尔实验室和世界其它地方的研究人员已经有能力从人类多能干细胞中生成骨骼肌细胞——这些细胞有自我更新的能力，可以发展成身体中的任何细胞类型。然而，直到现在，他们还没有办法确定这些细胞在人体发育的连续统一体中的位置。

 “我们知道，我们在实验室制造的肌肉细胞不像在人体中发现的完全成熟的肌肉干细胞那样具有功能。”这篇新论文的第一作者、派尔实验室的助理项目科学家Haibin Xi说，“所以我们开始绘制这张图，作为参考，我们实验室和其他人可以用它来比较我们创造的细胞和真正的人类骨骼肌组织的基因特征。”

为了创造这张图，研究小组收集了关于两组不同骨骼肌细胞的高度具体的数据：从人体的胚胎细胞，从胚胎发育的第五周到中年，以及提取自研究人员实验室中生成的人类多能干细胞数据。 然后他们比较了两种来源的细胞的遗传特征。

研究小组从加州大学洛杉矶分校的合作者、南加州大学和德国图宾根大学的同事那里获得了21份人体骨骼肌组织样本。对于多能干细胞衍生的肌肉细胞，该小组评估了利用他们自己独特的方法和其他几个小组创造的细胞。

派尔实验室与加州大学洛杉矶分校(UCLA)生物化学教授、布罗德干细胞研究中心(Broad Stem Cell Research Center)成员凯瑟琳·普拉斯(Kathrin Plath)的实验室合作，对所有样本进行高通量、基于液滴的单细胞RNA测序。这项技术使研究人员能够识别单个细胞中存在的基因网络，并能同时处理数千个细胞。利用这项技术的力量和Plath实验室的生物信息学专业知识，该小组确定了来自人体组织和多能干细胞的各种细胞类型的遗传特征。

接下来，他们开发了计算方法，重点研究肌肉祖细胞和干细胞，并绘制出与每个发育阶段相关的基因网络。这使得研究小组能够将在多能干细胞来源的肌肉细胞中发现的遗传特征与其在人类肌肉发育图谱上的相应位置相匹配。

研究小组发现，通过他们尝试的所有方法产生的多能干细胞衍生的肌肉细胞类似于早期发育状态的肌肉祖细胞，与成体肌肉干细胞不一致。

除了确定实验室生产的细胞的真正成熟之外，该分析还提供了关于其他细胞类型的详细信息，这些细胞类型存在于不同发育阶段的骨骼肌组织中，以及来自人类多功能干细胞的人群中。这些细胞可能在肌肉细胞成熟过程中发挥重要作用，并可能对改进在培养皿中生成和支持肌肉干细胞的方法至关重要。

“我们发现，一些在培养皿中生成肌肉细胞的方法也会产生可能支持肌肉细胞的独特细胞类型。” 加州大学洛杉矶分校琼森综合癌症中心的成员派尔说，“所以现在我们的问题是，这些细胞在做什么？它们可能是在培养皿中生产和支持成熟的功能性肌肉干细胞的关键吗？”

展望未来，派尔和她的同事们将集中精力利用这一新资源，在实验室中开发出更好的方法来从人类多能干细胞产生肌肉干细胞。 她希望通过专注于鉴定出的与干细胞相关的基因表达网络和支持细胞类型，产生高功率的肌肉干细胞，这些细胞可用于未来的再生疗法。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1934590920301569?via%3Dihub

https://medicalxpress.com/news/2020-05-scientists-roadmap-human-skeletal-muscle.html