文獻(xiàn)解讀：GSK3調(diào)控信號(hào)影響牛骨骼肌纖維/脂肪生成祖細(xì)胞的成脂分化
期刊：Biological Macromolecules
影響因子：7.7
伯豪試劑產(chǎn)品：伯優(yōu)®細(xì)胞核分離試劑盒
研究背景
骨骼肌發(fā)育與肉用動(dòng)物的生產(chǎn)力和肉質(zhì)密切相關(guān)，骨骼肌是重要的食物來源。理解控制骨骼肌組成、發(fā)育和生長的遺傳和生理機(jī)制對(duì)提高肉質(zhì)具有重要意義。已有研究表明，肌內(nèi)脂肪（IMF）的沉積與肌肉功能障礙、相關(guān)疾病和肉質(zhì)密切相關(guān)。理解IMF沉積的調(diào)控機(jī)制及其影響對(duì)改善肉質(zhì)至關(guān)重要，而肌衛(wèi)星細(xì)胞（MuSCs）、側(cè)群細(xì)胞和成纖維/成脂祖細(xì)胞（FAPs）參與異位脂肪生成。單核RNA測序（snRNA-seq）允許對(duì)單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行深度測序，用于評(píng)估細(xì)胞群體的異質(zhì)性，識(shí)別稀有細(xì)胞類型。探索骨骼肌的細(xì)胞組成，以及不同細(xì)胞間的差異，以此揭露其對(duì)多細(xì)胞生物功能的影響。
伯豪產(chǎn)品
伯優(yōu)®細(xì)胞核分離試劑盒
研究目的
通過單核RNA測序（snRNA-seq）揭示延邊牛不同發(fā)育階段骨骼肌細(xì)胞的異質(zhì)性，探討肌內(nèi)脂肪細(xì)胞的起源及其沉積機(jī)制，Wnt/GSK3/β-catenin信號(hào)通路在FAPs成脂過程中的作用，對(duì)肌衛(wèi)星細(xì)胞（MuSCs）成肌分化的影響。
研究結(jié)果
1. 單核RNA測序揭示不同發(fā)育階段牛骨骼肌細(xì)胞的異質(zhì)性
為了獲得牛骨骼肌發(fā)育的細(xì)胞群體圖譜并表征細(xì)胞異質(zhì)性，我們對(duì)從出生后（D8）和成年（M18）牛骨骼肌組織獲得的單核細(xì)胞懸液進(jìn)行了基于液滴的單核RNA測序（snRNA-seq）。在過濾掉7720個(gè)捕獲自D8的細(xì)胞后，剩余的7638個(gè)細(xì)胞根據(jù)相似的基因表達(dá)模式被歸類為15個(gè)細(xì)胞簇。這些15個(gè)簇包含16至1520個(gè)細(xì)胞，占分析細(xì)胞總數(shù)的0.21%至19.9%，其中簇0是最大的亞群，簇14是最小的亞群。同時(shí)，M18形成了13個(gè)分離的簇，包含26至2019個(gè)細(xì)胞，占分析細(xì)胞總數(shù)的0.28%至21.91%。基于先前確定的標(biāo)記物的表達(dá)，并使用t分布隨機(jī)鄰域嵌入（t-SNE）可視化數(shù)據(jù)確定了細(xì)胞種類，。通過此分析，我們確定了骨骼肌中的所有主要細(xì)胞類型，包括肌細(xì)胞、平滑肌、成纖維/脂肪生成祖細(xì)胞（FAPs）、衛(wèi)星細(xì)胞（SCs）、成肌細(xì)胞、免疫細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，以及肌細(xì)胞的一個(gè)罕見功能特化區(qū)域——神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）。通過表達(dá)規(guī)范標(biāo)記基因，包括PDGFRA、DCN（FAPs）、PLN（平滑�。�、CD163和PTPRC（免疫細(xì)胞）識(shí)別非肌核簇。肌核群體的基因表達(dá)包括MYH1、CKM（肌細(xì)胞）、Pax3、Pax7（LOC532669）（SCs）、MyoD1、MYF5、SPOCK1（成肌細(xì)胞）。NMJ核為已知規(guī)范標(biāo)記MUSK陽性。
2. 使用snRNA-seq鑒定牛骨骼肌發(fā)育過程中的細(xì)胞異質(zhì)性
基于D8和M18的snRNA-seq數(shù)據(jù)的整合分析，并使用Seurat3.0通過識(shí)別錨點(diǎn)的方法校正批次數(shù)據(jù)，比較分析D8和M18兩個(gè)發(fā)育階段細(xì)胞簇。另外，還比較了不同發(fā)育階段每個(gè)簇中細(xì)胞的比例，并觀察到了階段之間細(xì)胞組分比例的顯著變化。結(jié)果顯示，出生后牛骨骼肌中肌細(xì)胞亞群的比例為77.02%。隨著骨骼肌的發(fā)育，成年牛骨骼肌中肌細(xì)胞亞群的比例為85.33%，增加了1.11倍。然而，在成年牛骨骼肌中，簇6中的FAPs（D8:7.53%，M18:4.58%）和簇8中的SCs（D8:3.94%，M18:1.44%）的比例分別下降了39.17%和63.45%。
3. 肌源性細(xì)胞亞群的軌跡推斷分析
使用Monocle算法進(jìn)行的軌跡推斷分析揭示了FAPs、平滑肌和SCs之間的關(guān)系。根據(jù)偽時(shí)間分析的結(jié)果，簇6中的FAPs被確定為初始狀態(tài)。在骨骼肌發(fā)育過程中，簇6中的一部分FAPs轉(zhuǎn)變?yōu)榇?中的平滑肌細(xì)胞，而一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)榇?中的SCs。研究將前50個(gè)差異基因被分為六類，展示了決定預(yù)分支細(xì)胞向細(xì)胞命運(yùn)1和細(xì)胞命運(yùn)2狀態(tài)分化的基因，顯示了每個(gè)細(xì)胞狀態(tài)中高度可變基因的趨勢，并指出了三個(gè)細(xì)胞亞群之間的分化關(guān)系。
對(duì)D8和M18牛骨骼肌中FAPs共表達(dá)基因的分析顯示，PDE1A、LVRN、COL4A1、COL4A2、EBF2和MEG3等基因發(fā)生了顯著變化�；贕O富集分析，發(fā)現(xiàn)這些基因主要參與脂質(zhì)結(jié)合、醛氧化酶活性、FAD結(jié)合、血小板衍生生長因子結(jié)合等生物學(xué)過程。此外，高表達(dá)的COL4A1和COL4A2基因主要富集在細(xì)胞外基質(zhì)-受體相互作用、蛋白質(zhì)消化和吸收、泛酸和CoA生物合成以及鈣信號(hào)傳導(dǎo)通路中。
4. 從延邊牛骨骼肌中純化FAPs和MuSCs
基于表面標(biāo)記物PDGFRα、CD56、CD29等的表達(dá)，通過磁激活細(xì)胞分選（MACS）從延邊牛骨骼肌中分離出FAPs和MuSCs。RT-qPCR結(jié)果顯示，與MuSCs相比，F(xiàn)APs中PDGFRα的表達(dá)顯著增加，而Pax7的表達(dá)顯著下降。同樣，免疫熒光染色也觀察到FAPs中PDGFRα蛋白特異性表達(dá)，MuSCs中檢測到Pax7和MyoG的表達(dá)。
5. GSK3抑制劑LY2090314激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路抑制FAPs的脂肪生成
FAPs是表達(dá)主要Wnt配體和受體的細(xì)胞群。為了進(jìn)一步研究Wnt/β-catenin通路在牛肌肉來源FAPs中的作用，研究選擇了GSK3抑制劑LY2090314和TNKS抑制劑XAV-939來激活和抑制Wnt/β-catenin通路。β-catenin的免疫染色顯示，LY2090314處理96小時(shí)后促進(jìn)了β-catenin從細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)位。在LY2090314阻斷GSK3表達(dá)并激活Wnt/β-catenin通路后，F(xiàn)APs中三酰甘油（TAG）和脂聯(lián)素（ADP）的濃度顯著降低，脂滴的形成也受到高度限制。研究還觀察到脂肪生成基因（PPARγ、C/EBPα、C/EBPβ和FABP4）和甘油三酯合成基因（DGAT1和DGAT2）的下調(diào)。此外，Western blotting顯示，在LY2090314處理后，F(xiàn)APs脂肪生成中FAP抗原PDGFRα、PPARγ和C/EBPα的表達(dá)顯著下降。這些結(jié)果表明，GSK3/β-catenin通路調(diào)節(jié)FAPs的脂肪生成，LY2090314通過阻止β-catenin的降解來抑制FAPs的脂肪分化。
6. XAV-939阻斷Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)FAPs的脂肪生成
1 μM XAV-939處理顯著抑制了Ctnnb1的轉(zhuǎn)錄水平，而GSK3A和GSK3B的mRNA表達(dá)水平?jīng)]有顯著差異。此外，在抑制Wnt/β-catenin通路后，β-catenin的表達(dá)顯著下降，與脂肪生成相關(guān)的基因和蛋白（PPARγ、C/EBPα、FABP4、DGAT）的表達(dá)增加，表明β-catenin的下調(diào)信號(hào)FAPs會(huì)促進(jìn)脂肪生成。此外，與對(duì)照組相比，XAV-939處理顯著增加了FAP中脂滴的聚集和填充，TAG和ADP的含量增加。
7. LY2090314激活Wnt/GSK3/β-catenin通路，增強(qiáng)MuSCs的自我更新和肌生成
為了進(jìn)一步研究β-catenin對(duì)牛MuSCs分化的影響，研究使用了20 nM 外源性LY2090314處理細(xì)胞，同時(shí)在MuSCs分化過程中監(jiān)測了β-catenin和磷酸化β-catenin表達(dá)的動(dòng)態(tài)變化。Western blot結(jié)果顯示，隨著MuSCs分化時(shí)間的延長，pβ-catenin（T41）的表達(dá)下降，而β-catenin的表達(dá)增加。此外，20 nM LY2090314處理促進(jìn)了β-catenin的穩(wěn)定，延長了牛MuSCs的分化時(shí)間。EdU摻入分析顯示，LY2090314處理后的前24小時(shí)內(nèi)，EdU+細(xì)胞比例較高，MyoG的表達(dá)下降。雖然分化48小時(shí)后肌管形成減少，但是，分化72小時(shí)后肌管的融合指數(shù)顯著增加，表明LY2090314可以促進(jìn)MuSCs的更新和分化。LY2090314抑制GSK3活性并激活Wnt/β-catenin通路以促進(jìn)β-catenin的穩(wěn)定，顯著增加了肌源性基因（MyoD、MyoG、MRF4和MYF5）的mRNA表達(dá)。Western blotting顯示，Pax7的表達(dá)下調(diào)，而MyHC和MyoG的表達(dá)水平顯著上調(diào)。相反，在1 μM XAV-939處理后，與MuSCs肌生成相關(guān)的基因和蛋白（MyoD、MyoG、MRF4和MyHC）的表達(dá)顯著下降。
8. 3.8. GSK3抑制劑LY2090314激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路增強(qiáng)FAPs在體外共培養(yǎng)系統(tǒng)中刺激MuSCs成肌的能力
為了研究Wnt/β-catenin通路對(duì)體外共培養(yǎng)系統(tǒng)中MuSCs分化的影響，使用了FAPs來源的條件培養(yǎng)基（CM）與MuSCs進(jìn)行共培養(yǎng)。RT-qPCR結(jié)果顯示，與未經(jīng)處理的FAPs相比，經(jīng)20 nM LY2090314處理的FAPs顯著促進(jìn)了成肌基因（MyHC、MyoD、MyoG、MRF4和MYF5）的表達(dá)。此外，LY2090314處理還顯著提高了FST基因的表達(dá)。然而，用1 μM XAV-939處理的FAPs消除了FAPs對(duì)MuSCs的成肌效應(yīng)，MyHC、MyoD和MyoG蛋白的表達(dá)水平下降。MyHC免疫染色顯示，經(jīng)20 nM LY2090314處理的FAPs的肌管融合指數(shù)達(dá)到71.46%，而1 μM XAV-939處理的僅為38.02%。
研究總結(jié)
本研究通過單核RNA測序（snRNA-seq）技術(shù)分析了延邊牛骨骼肌在不同發(fā)育階段的細(xì)胞異質(zhì)性和轉(zhuǎn)錄特征，揭示了成纖維/脂肪生成祖細(xì)胞（FAPs）在肌內(nèi)脂肪沉積中的作用及Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)FAPs成脂分化的調(diào)控機(jī)制。通過鑒定延邊牛骨骼肌在兩個(gè)發(fā)育階段的8種細(xì)胞亞群，包括肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、FAPs、衛(wèi)星細(xì)胞（SCs）等，發(fā)現(xiàn)FAPs在肌內(nèi)脂肪沉積中起關(guān)鍵作用，表達(dá)主要Wnt配體和受體。GSK3抑制劑LY2090314通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路，抑制FAPs的成脂分化，促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞（MuSCs）的自我更新和成肌分化，而Wnt/β-catenin信號(hào)通路的抑制劑XAV-939則促進(jìn)FAPs的成脂分化。這一研究為改善牛肉品質(zhì)提供了新的理論依據(jù)和潛在靶點(diǎn)，有助于未來通過調(diào)控FAPs的成脂分化來提升肉品質(zhì)
原文鏈接：
https://doi.org/10.7554/eLife.92046
標(biāo)簽：
科學(xué)試劑
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