科學家開發出首個人類骨骼肌發育的細胞路線圖譜

一項刊登在國際雜志Cell Stem Cell上的研究報告中，來自加州大學洛杉磯分校等機構的科學家們通過研究開發出了首個路線圖，其能清楚地揭示人類骨骼肌發育的機制，包括肌肉干細胞的形成機制。

目前研究人員并不清楚人類骨骼肌的發育軌跡以及祖細胞和干細胞狀態之間的過渡階段，文章中，研究人員利用單細胞RNA測序技術對胚胎、胎兒及出生后階段的人類骨骼肌組織進行了深入分析，在硅片材料中研究人員識別出了肌原性細胞和其它類型的細胞，并且構建出了一個不同發育階段的人類骨骼肌個體發育路線圖，以類似的方式，研究人員還分析了由多個人類多能干細胞（hPSC）肌原性分化步驟所產生的異質性細胞培養物，并將hPSC衍生的肌原性祖細胞定位了到胚胎-胎兒的過渡時期。

研究者發現了不同豐富的生物過程，同時還在不同肌原性階段存在的共調節基因網絡和轉錄因子，本文研究或能幫助研究人員深入理解人類肌細胞形成的分子機制，同時也能幫助他們更好地理解hPSC衍生的肌原性祖細胞的功能，并為后期骨骼肌再生醫學的轉化應用提供新的思路。本文研究的亮點成果包括：1）研究人員構建出了胚胎、胎兒、成體組織中四肢骨骼肌的圖譜；2）發現人類肢體骨骼肌和支持細胞在發育過程或存在差異；3）在不同發育階段PAX7肌肉組織細胞和干細胞或許并不相同；4）在人類機體發育過程中，hPSC- PAX7細胞與胚胎至胎兒的過渡階段一致。

文章中，研究人員識別出了從早期胚胎發育到成年后的骨骼肌中存在的多種細胞類型，重點關注肌肉祖細胞（在出生前促進肌肉形成）和肌肉干細胞（出生后及機體損傷后再生）后，研究人員繪制出了細胞中基因網絡如何隨著細胞的成熟過程而發生改變。該路線圖的繪制能幫助研究人員在實驗室中開發肌肉干細胞，對于后期開發再生細胞療法用來治療嚴重的肌肉疾病，包括肌肉萎縮癥、年齡相關的肌肉質量和力量損失至關重要。研究者April Pyle表示，因衰老或疾病導致的肌肉損失往往是肌肉干細胞異常所導致的結果，人類骨骼肌發育圖譜的繪制確定了肌肉祖細胞和干細胞在整個發育過程中存在的精確基因網絡，這對于開發出產生這些細胞的方法，從而用來治療相關肌肉障礙至關重要。

如今研究人員已經能夠通過利用人類多能干細胞來產生骨骼肌細胞，人類多能干細胞能夠自我更新并分化為機體中任何類型的細胞，然而，截止到目前為止，研究者并不能確定這些細胞在人類發育過程中的具體位置。研究者表示，他們在實驗室中制造的肌肉細胞并不像在人類機體中發現的完全成熟的肌肉干細胞那么樣發揮功能，為此他們就開始著手制作這張地圖，并作為研究人員用來比較目前正在創建的細胞的基因特征和真實人類骨骼肌組織的基因特征的參考。

為了創建這種資源，研究人員收集了兩組不同的骨骼肌細胞的高度特異性數據，即從胚胎發育的第五周到中年時期的人體骨骼肌細胞，以及研究人員在實驗室中生成的人類多能干細胞所衍生的骨骼肌細胞，隨后對這兩種來源的細胞的遺傳特性進行了比較。研究人員獲得了21份人類骨骼肌組織樣本，對于多能干細胞衍生的肌肉細胞而言，他們利用特殊的技術評估了所產生的細胞。

研究者對所有樣本進行了高通量基于液滴的單細胞RNA測序，該技術能幫助研究人員識別出單細胞中存在的基因網絡，并能同時處理數千個細胞，利用該技術的強大功能，研究人員就能從人類組織和多能干細胞中識別出多種不同細胞類型的遺傳特征；隨后他們開發出了計算方法來重點分析肌肉祖細胞和干細胞，并繪制出了每個發育階段相關的基因網絡，這就能使得研究人員將多能干細胞衍生的肌肉細胞中的基因特征與人類肌肉發育圖譜中相應的位置相匹配。研究者發現，他們嘗試過的所有方法所產生的多能干細胞衍生的肌肉細胞都與早期階段的肌肉祖細胞相似，其并不與成年肌肉干細胞相吻合。

除了能夠確定實驗室所產生的細胞的真正成熟度外，這項分析還提供了發育階段骨骼肌中其它細胞類型和人類多能干細胞衍生的細胞群體的細節，這些細胞在肌肉細胞成熟過程中發揮著重要作用，并可能會改進在培養皿中產生并支持肌肉干細胞的方法。研究者Pyle說道，在培養皿中產生肌肉細胞的某些方法也會產生可能支持肌肉細胞的特殊細胞類型，所以研究者現在的問題是，這些細胞到底在做什么？它們是否對于在培養皿中產生并支持肌肉干細胞的成熟和功能至關重要？

后期研究人員還會繼續深入研究利用相關研究結果開發更好的方法，從而在實驗室中利用人類多能干細胞產生肌肉干細胞，研究者希望能通過重點關注干細胞相關的基因表達網絡和所識別出的支持性細胞類型，從而產生高能量的肌肉干細胞，為未來的再生醫學療法的開發提供幫助。