RNA测序发现肌细胞的秘密

由Carmen Birchmeier教授领导的MDC小组展示了肌肉细胞为什么有这么多细胞核，这些核是多么的不同。这项研究发表在《Nature Communications》杂志上，它可以帮助我们更好地了解肌肉疾病，如杜氏肌营养不良症。

通常，每个细胞只有一个细胞核。但是我们骨骼肌的细胞是不同的：这些长纤维细胞有一个相当大的细胞质，含有数百个细胞核。但到目前为止，我们对单个肌肉纤维的细胞核在基因活性方面的差异程度以及这对肌肉功能的影响知之甚少。

由赫尔姆霍兹协会（MDC）马克斯•德尔布鲁克分子医学中心（Max-Delbrueck Center for Molecular Medicine，MDC）发育生物学/信号转导研究小组负责人Carmen Birchmeier领导的一个团队现在已经解开了这些肌肉细胞核中包含的一些秘密。正如研究人员在《Nature Communications》杂志上报道的那样，研究小组使用一种称为单核RNA测序的新技术来研究细胞核的基因表达，在这个过程中，他们发现了出乎意料的高多样性的遗传活动。

“由于其细胞核的异质性，单个肌肉细胞的行为几乎就像一个组织，它由各种不同的细胞类型组成，”Birchmeier团队的博士后研究员、该研究的两位主要作者之一Minchul Kim博士解释道。“这使细胞能够完成许多任务，如与神经元通讯或产生某些肌肉蛋白质。”

Kim承担了这项研究的大部分实验工作，生物信息学分析由MDC柏林医学系统生物学研究所（BIMSB）的生物信息学和组学数据科学平台负责人Altuna Akalin博士和Akalin团队的博士后研究员、该研究的共同一作Vedran Franke博士进行。Birchmeier强调说：“正是由于实验团队和理论团队之间的不断对话，我们才得以得出我们的结果，这些结果为肌肉疾病的研究提供了重要的见解。分子生物学中的新技术，如单细胞测序，产生了大量的数据。很重要的一点是，计算实验室是早期过程的一部分，因为分析和数据生成一样重要。”

受伤的肌肉含有激活的促生长基因

研究人员首先研究了几千个来自小鼠普通肌肉纤维的细胞核的基因表达，以及损伤后再生的肌肉纤维细胞核的基因表达。研究小组对细胞核进行了基因标记，并将它们从细胞中分离出来。“我们想知道是否可以观察到静息肌和生长肌之间的基因活性差异，”Birchmeier说。

他们确实发现了这样的差异。例如，研究人员观察到，再生肌肉中含有更活跃的基因，负责触发肌肉生长。“然而，真正让我们吃惊的是，在这两种肌纤维类型中，我们发现了大量不同类型的细胞核，每一种都有不同的基因活动模式，”Birchmeier解释道。

遇到未知的核类型

在这项研究之前，人们已经知道，与其他细胞核相比，位于神经元神经支配部位附近的细胞核中活跃着不同的基因。“然而，我们现在发现了许多新类型的特殊细胞核，它们都有非常特殊的基因表达模式。其中一些细胞核位于靠近肌纤维的其他细胞群中：例如，肌腱细胞或肌膜细胞-一种围绕肌纤维束的结缔组织鞘。

“其他特殊的细胞核似乎控制着局部新陈代谢或蛋白质合成，分布在整个肌肉纤维中，”Kim解释道。然而，目前还不清楚细胞核中的活性基因到底起什么作用。“我们在肌肉纤维中先前未知的小组细胞核中发现了数百个似乎被激活的基因，”Birchmeier报告说。

肌肉营养不良似乎导致许多类型的细胞核丢失

下一步，研究小组研究了杜氏肌营养不良小鼠的肌纤维细胞核。这种疾病是人类最常见的遗传性肌营养不良（肌肉萎缩）。它是由X染色体上的一个突变引起的，这也是它主要影响男孩的原因。这种疾病的患者缺乏能稳定肌肉纤维的蛋白肌营养不良蛋白（dystrophin），导致细胞逐渐死亡。

“在这个小鼠模型中，我们观察到肌肉纤维中许多类型细胞核的丢失，”Birchmeier报告说。“其他类型的细胞核不再像研究小组先前观察到的那样组织成团，而是分散在整个细胞中。”

小鼠的细胞核和人类病人的相似

“我们还发现了一些疾病特异性的核亚型，”Birchmeier报告说。“其中一些是细胞核，只在很小的程度上转录基因，并且正在消亡。另一些是含有主动修复受损肌纤维的基因的细胞核。有趣的是，我们还观察到了患者肌肉活检中肌肉疾病相关基因活性的增加，似乎这像是肌肉在对抗与疾病相关的损伤。”

Birchmeier总结道：“通过我们的研究，我们提出了一种研究肌肉病理机制和检验新治疗方法成功与否的有力方法。由于肌肉功能不全也存在于其他多种疾病中，如糖尿病和与年龄或癌症相关的肌肉萎缩，这种方法也可用于更好地研究这些变化。我们已经计划用其他疾病模型进行进一步的研究。”

原文检索：Minchul Kim, Vedran Franke et al. (2020): "Single-nucleus transcriptomics reveals functional compartmentalization in syncytial skeletal muscle cells". In Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-20064-9.

（生物通：伍松）