原文题目：Senescence atlas reveals an aged-like inflamed niche that blunts muscle regeneration
通讯作者：Pura Muñoz-Cánoves
隶属单位:庞培法布拉大学医学与生命科学系
DOI：doi.org/10.1038/s41586-022-05535-x
组织再生是生命所必需的。它的成功需要常驻干细胞和周围生态位细胞之间的协调通信。在骨骼肌干细胞（称为卫星细胞（SCs））和巨噬细胞或纤维生成祖细胞（FAPs;也称为间充质细胞）之间的串扰中可以找到例子。然而，调节组织再生的生态位细胞成分和分泌因子的身份尚未完全表征。在衰老过程中，组织再生功能下降，部分原因是干细胞内在积累损伤（例如，DNA损伤，蛋白质平衡和氧化损伤），生态位细胞的功能衰变和炎症增加（炎症）通过未表征的机制。
细胞衰老是功能失调细胞的持久细胞周期停滞状态，其获得生物活性衰老相关分泌表型（SASP）。衰老细胞随着衰老和年龄相关疾病的积累而积累，限制了小鼠的寿命和健康寿命。这些细胞在照射后也会积聚并损害肌肉功能。相比之下，衰老细胞在胚胎发育过程中以及肝脏和皮肤修复中显示出作为肿瘤抑制因子的有益作用或重新编程。然而，由于衰老细胞的稀缺性和假定的异质性，以及缺乏通用的衰老标志物和分离方法，人们对体内衰老细胞的身份或其对组织再生的贡献知之甚少。
图1：年轻和老年小鼠再生肌肉中的衰老细胞。
在这里，研究人员在分子和功能水平上分离并定义了体内衰老细胞。研究人员证明衰老细胞是不可或缺的再生生态位组件，可在生命的各个阶段抑制再生。使用单细胞转录组学，一种将各种生态基细胞类型的衰老和非衰老亚群分离的方法，以及深度转录组学和染色质分析，研究人员制作了再生骨骼肌中体内衰老细胞的终生图谱。
受损组织的正确重建需要再生生态位内不同细胞类型之间的及时相互作用。衰老细胞影响组织修复过程，但机制在很大程度上尚不清楚。其中一个原因是衰老细胞的稀缺性和异质性带来的技术限制，以及缺乏“通用”衰老标志物。通过建立一种分选方案来富集不同类型的衰老细胞（使用多标记显微镜在体内确认），研究人员现在已经确定衰老细胞是骨骼肌生态位的组成部分，并证明它们抑制再生以响应年轻小鼠的不同类型的损伤，在老年小鼠中甚至更强烈。
图2：细胞衰老阻碍了整个生命的肌肉再生。
研究人员发现衰老细胞在未受干扰的肌肉组织中几乎不存在（或数量很少），即使在老年时也是如此，但在受伤后出现。在受伤的肌肉中，衰老细胞通过创造一个类似衰老的发炎微环境来改变它们的正常生态位对应物，从而劫持了它们的增殖程序并钝化了再生。减少衰老细胞的数量（因此减少它们的炎症分泌组）恢复干细胞增殖并增强肌肉再生。因此，有效的组织再生不仅涉及建设性的细胞串扰，还涉及意想不到的抑制相互作用。
一个重要的问题是组织损伤后衰老细胞是如何产生的。研究人员提供的证据表明，在损伤后，一部分生态位细胞积累的ROS和DNA损伤超过阈值，从而导致衰老和再生失败。因此，受损组织中的增殖细胞积极抑制其衰老程序，从而保持细胞的完整性和适应性。这在老年时尤其重要，因为持久的细胞在一生中会积累损伤（包括端粒损伤），因此为衰老做好准备。此外，老年时免疫系统功能减弱不能清除衰老细胞，这可能是它们在受损老化肌肉中持续存在的原因;这会加剧组织再生障碍。
衰老的分子特征主要在体外。通过基于FACS的来自受伤肌肉的SA-β-gal阳性细胞的富集，然后是scRNA-seq，研究人员生成了体内衰老细胞图谱，揭示了再生肌肉中的三种主要类型的衰老细胞（MC，FAP和SCs）以及其他较小的群体。在研究人员的方法中，真正的衰老细胞的成功富集依赖于将FACS分离方案仅限于表达最高的SPiDER-β-gal细胞。然而，一些体外衰老的经典标志物（如CDKN2A，p21CIP1，IL-6和IL-1）在一些（但不是全部）体内衰老细胞中观察到。一种可能的解释是，衰老状态在体内会受到其触发因素、衰老细胞、环境和免疫系统的时间分辨率的影响，从而产生广泛的表型特征。研究人员确认MC，FAP和SC（按丰度顺序）是再生肌肉中的主要衰老细胞类型。尽管衰老细胞内的基因表达存在差异，但研究人员揭示了两个主要的保守通用特征定义了衰老细胞：炎症和纤维化。研究人员还确定，根据它们的起源谱系，衰老细胞具有在整个生命中保留的独特特征，表明它们在保持身份特征的同时共享通用程序，并适应其起源和年龄的特性。因此，研究人员的研究为体内衰老提供了更好的定义：尽管是一种不可逆转的停滞状态，但衰老包括分子多样性和活力（对时间和损伤方式敏感）的特征以及保守的特征。
图3：组织损伤和衰老的主要生态位细胞通过氧化应激和DNA损伤衰老。
研究人员的通路分析表明，衰老细胞中的炎症也广泛上调，这与炎症的概念一致。研究人员检测到衰老细胞中补体、干扰素和TNF/NF-κB通路的上调，这些通路随着包括人类在内的脊椎动物组织老化而得到强烈激活。值得注意的是，干扰素信号传导与病毒感染反应和线粒体应激有关，以及转座元件的重新激活，这也与衰老有关。体内衰老细胞的转录组学和染色质可及性分析揭示了转录因子NF-κB，SMAD，IRF1 / 3和C / EBPβ与炎症和基质成分以及干扰素反应基因的诱导之间的关联，解释了SASP对生态位细胞的有害影响。在这种情况下，NF-κB和SMAD3似乎与年轻受伤肌肉中衰老细胞产生的促炎/促纤维化SASP有因果关系。
图4：两个主要的共同标志定义了衰老细胞在细胞类型、再生阶段和寿命方面的特征。
因此，该研究表明，衰老细胞是整个生命中组织再生的决定性因素。SCs和生态位细胞的亚群转化为永久停滞的衰老细胞不仅减少了可用于再生的后代，而且通过促炎SASP，赋予年轻组织类似衰老的发炎生态位，从而反映了炎症的负面影响。从机制上讲，SASP诱导周围健康细胞衰老，从而进一步传播衰老并降低干细胞增殖。与此一致，衰老细胞数量的减少由于炎症和纤维化SASP的减弱而改善了再生。最后，研究人员鉴定了CD36（一种与脂质代谢和炎症功能有关的清除受体）作为细胞受体，在体内充当精态。总之，这些结果挑战了普遍的观点，即细胞衰老在年轻组织中短暂发生时总是有益的，并且只有在衰老期间或患病状态下长期发生时才有害。值得注意的是，在组织再生环境（本研究）之外，在山中因子诱导的肌肉重编程期间和照射后，已经提出了衰老细胞在肌肉中的积极和消极作用，例如在运动肌肉中，因此举例说明了衰老细胞在不同体内环境中功能的复杂性。
图5：衰老细胞通过促炎和促纤维化因子分泌在年轻的再生生态位中创造类似衰老的微环境。
通过衰老细胞分离的技术进步，研究人员的发现提供了体内特定衰老细胞类型的转录组图谱（以及常见的SASP特征），并为体内衰老的出现，原因，定义，动力学和后果提供了概念解释。研究人员认识到与以下方面相关的研究局限性：（1）使用不同的衰老细胞消融方法（遗传学和药理学）和（2）SPiDER分选部分中存在一小部分非衰老细胞。然而，研究人员的研究结果提供了证据，证明衰老是一个比以前预期的更复杂的状态阵列。由于衰老细胞也出现在受损的人体肌肉中，这些发现对再生医学具有影响，包括肌肉减少症。
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