Cell Stem Cell︱肌肉干细胞感知损伤早期激活的新机制

许多组织中都含有静息干细胞，可在损伤时被激活，随后进行增殖和分化以修复组织损伤。肌肉干细胞（MuSC）就是这样一类在骨骼肌中被发现的成体干细胞群，是肌肉再生和修复的重要协调者，它们在稳态时保持静止状态，而在受伤时则会激活、增殖和分化以促进形成新的肌肉【1】。然而，静息干细胞感知和响应组织损伤的机制一直以来都是再生生物学中的一个谜团。尽管目前已经确定了许多参与调节MuSC从静息到激活（Q-A）转换的因素，但是启动该事件的机制仍然未知，而这些非常早期的线索的识别受阻的一个最主要的原因在于MuSC的机械敏感性。MuSC的解离和分离会导致其激活，体内MuSC与其分离的对应物之间不仅存在显著的转录组差异，也存在着细胞形态的改变【2,3】。

近日，来自美国西奈山伊坎医学院的Robert S. Krauss团队在Cell Stem Cell上在线发表题为An injury-responsive Rac-to-Rho GTPase switch drives activation of muscle stem cells through rapid cytoskeletal remodeling的文章，将体内组织清除与改良的离体单肌纤维制备相结合，以一种前所未有的方式观察静息的MuSC，发现静息的MuSC具有复杂的、Rac GTPase促进的细胞质突起，可以通过上调Rho/ROCK信号对损伤作出反应，促进突起收缩、细胞骨架重排并驱动下游激活事件，以此重新定义了MuSC的激活，揭示了一种广泛存在的MuSC打破静息的核心新机制。

传统的MuSC分离方法往往使得它们的一些结构如细胞质突起丢失，因此对于这些结构一直缺乏高分辨率的表征。本文研究人员首先利用他莫昔芬诱导的策略标记成年小鼠的MuSC，然后进行组织清除，证实静息MuSC具有不同形态的长且复杂的突起（称为静息突起，QP），常表现为多个分支和丝状伪足。为了更好地描述这些结构，研究人员利用一种将肌肉维持在其直接生态位的离体技术分离了原代单个肌纤维，此改进的方法比传统标准技术能获得更高百分比的维持QP结构的细胞，尽管与体内相比，大多数QP在制作过程仍然部分或完全回缩。由此本研究获得了MuSC内的静息结构，发现了QP含有致密的微管（MT）网络，并与其他细胞类型的运动细胞结构具有相同的特征，表明细胞骨架动力学在MuSC静息中起着积极的作用。

分离时突起的丢失意味着突起收缩是对生态位扰动的早期反应，为了检测QP收缩是否出现在体内，研究人员对趾长伸肌（EDL）进行了局灶性针刺损伤，然后进行灌注和组织清除。在损伤后3小时内，穿刺部位周围的MuSC就缩回了QP，证实这是一种非常早期的损伤反应，而且是对局部损伤刺激的感知和反应。随后，研究人员对于QP收缩相关的细胞内事件进行了探索，结果表明QP的收缩是一个早期激活事件，发生在对损伤和分离的反应中，含有QP的MuSC比没有QP的MuSC表现出“更深”的静息特征，MT的重组是QP收缩过程中发生激活的明确指标。

进一步地，研究人员发现，RAC/CDC42活性在静息MuSC中很高，然后在Q-A转换期间迅速下降，对RAC的小分子抑制加速了最初的步骤，但持续的抑制对随后的激活事件没有影响。接下来，研究人员条件性敲除成年小鼠MuSC中的Rac1，以检测其在体内MuSC静息中的作用，结果观察到一种剂量依赖性的稳态静息的打破，从MuSC中完全去除Rac1会导致体内MuSC数量显著减少，表明在Q-A转换过程中，Rac1对于维持QP和MuSC静息、以及MuSC从Rac^high到Rac^low活性状态的转换是必需的。深入研究显示，Rho/ROCK/MLC信号通路是早期激活事件的驱动因素，静息的Rac^high MuSC可通过GTPase开关对损伤做出反应，上调Rho活性以促进QP收缩和下游激活事件，表明GTPase动力学可能是体外恢复MuSC静息特性的靶点。为了确定这个Rac-to-Rho GTPase开关是否在功能上与早期激活的转录事件相关，研究人员对FOS（MuSC激活的早期转录事件，在早期再生程序中起关键作用）的调节进行了更深入的研究。结果发现，FOS的诱导发生在QP收缩之后，可能是对依赖于Rho的细胞骨架重排的反应。FOS的诱导是已知最早的MuSC激活转录指标之一，是由Rho/ MRTFA信号通路启动的，依赖于MEK的机制随后加入以协调快速且强大的FOS反应，而FOS反过来促进MuSC的早期激活。

最后，研究人员利用组织清除测试了MuSC激活的各种模型，以确定上述细胞动力学在体内是否广泛保守。结果显示无论是通过基因敲除促进静息生态位因子、肌肉疾病还是肌肉损伤，突起的收缩和/或缩短都是Q-A转换的普遍特性。

综上所述，本研究提出了一种通过Rac-to-Rho GTPase开关使得静息MuSC对损伤做出反应并打破静态的新的普遍机制。在静息MuSC中，Rac活性很高，促进QP的生长和/或维持，并阻止MuSC的激活，而在激活的最早步骤中Rac信号下调，Rho/ROCK信号的增加，成为QP收缩和及时进入Q-A转换的必要条件。由此对静息MuSC的生物学提供了重要见解，确定了干细胞转导损伤感知和退出静态的机制，为肌肉干细胞生物学的研究和开发打开了一扇前所未有的窗口。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.04.016

1. Brack, A.S., and Rando, T.A. (2012). Tissue-specific stem cells: lessons from the skeletal muscle satellite cell. Cell Stem Cell 10, 504–514.

2. Yue, L., Wan, R., Luan, S., et al. (2020). Dek modulates global intron retention during muscle stem cells quiescence exit. Dev. Cell 53. 661.e6–676.e6.

3. Verma, M., Asakura, Y., Murakonda, B.S.R., et al. (2018). Muscle satellite cell cross-talk with a vascular niche maintains quiescence via VEGF and Notch signaling. Cell Stem Cell 23. 530.e9–543.e9.