单细胞RNA和ATAC测序解析肌肉干细胞激活和增殖中的异质性研究

Muscle stem cells are heterogeneous during activation and proliferation. The symmetric and asymmetric divisions of muscle stem cells are pivotal to self-renewal and regeneration of muscle tissue upon injury. This process involves transcriptional activation and transcriptional repression of the gene regulatory network, accompanying by chromatin accessibility dynamics. However, due to limited cell numbers, the gene regulatory network and cellular heterogeneity during muscle stem cell activation and proliferation, as well as epigenetic landscape dynamics remain to be elucidated. The applicant has established robust single-cell RNA and ATAC sequencing techniques and data analysis tools, which have been used to depict cell atlas of mouse early heart. In addition, using bulk ATAC-seq, the applicant found that quiescent muscle stem cells undergo significant chromatin remodeling upon activation and proliferation. Based on the techniques previously established and our preliminary results, this project will depict the single-cell transcriptome and single-cell chromatin accessibility landscape of muscle stem cells in quiescent, and activated states, and decipher the molecular mechanisms of a-/symmetric cell division. We expect our study will reveal muscle stem cell heterogeneity thereby benefitting muscle regenerative medicine.

肌肉干细胞在激活和增殖过程中存在异质性，即存在对称分裂和不对称分裂的亚群，以实现自我更新和分化成为新的肌肉组织。该过程涉及基因调控网络的转录激活和转录抑制，伴随着染色质开放性的动态变化。然而受限于细胞数量有限，肌肉干细胞激活和增殖过程中的基因网络和细胞异质性，以及表观遗传调控机制仍然不完全清楚。申请人前期研究建立了单细胞RNA和ATAC测序技术和数据分析方法，并用于绘制心脏早期发育细胞图谱。此外，申请人使用ATAC测序研究发现，肌肉干细胞从静息进入激活状态发生了显著的染色质重塑。基于前期建立的技术平台和研究成果，本项目将描绘肌肉干细胞在静息和激活状态下的单细胞转录组和单细胞染色质开放性图景，揭示其异质性，为干细胞不对称分裂模型和肌肉再生医学提供理论支撑。

肌肉干细胞在激活和增殖过程中存在异质性，即存在对称分裂和不对称分裂的亚群， 以实现自我更新和分化成为新的肌肉组织。该过程涉及基因调控网络的转录激活和转录抑 制，伴随着染色质开放性的动态变化。然而受限于细胞数量有限，肌肉干细胞激活和增殖 过程中的基因网络和细胞异质性，以及表观遗传调控机制仍然不完全清楚。项目主持人前期建立了单细胞RNA和ATAC测序技术和数据分析方法，并用于绘制心脏早期发育细胞图谱 。此外，申请人使用ATAC测序研究发现，肌肉干细胞从静息进入激活状态发生了显著的染 色质重塑。基于前期建立的技术平台和研究成果，本项目计划描绘肌肉干细胞在静息和激活 状态下的单细胞转录组和单细胞染色质开放性图景，揭示其异质性，为干细胞不对称分裂模型和肌肉再生医学提供理论支撑。项目严格按照任务书开展研究，完成了既定的研究目标，取得了以下几点研究成果：在动物模型上，建立了Cre重组酶系统条件性敲除小鼠的急性肌肉损伤模型；通过ATAC-seq、RNA-seq等多组学手段明确了肌肉干细胞从静息到激活转录过程中基因表达有明显变化，不同细胞状态具有异质性；通过SCENIC分析到候选基因CTCF参与调控肌肉干细胞的增殖和分化；在细胞模型上建立了CTCF敲降肌肉细胞株，使用CUT&TAG和ATAC-seq等单细胞技术测序发现了CTCF在肌肉干细胞激活过程中发挥基因重编程的重要作用；通过三维基因组学HiC技术检测到骨骼肌细胞在分化过程中的染色质三维构象变化，为阐述肌肉干细胞不对称分裂的分子机制提供新角度。本项目拟定的各项研究计划均已完成。研究结果揭示了转录因子如何在表观遗传学层面调控 PAX7+肌肉干细胞的激活，再分化功能的命运重塑作用，肌肉干细胞在静息和激活状态下的多样的单细胞转录组和单细胞染色质开放性图景。该成果正在投稿中。在本项目资助下，项目负责人建立的单细胞转录组和ATAC-seq技术还用于描绘临床肿瘤样本的免疫微环境，并作为通讯作者在包括肿瘤学权威期刊Clin. Can. Res等发表2篇论文，本基金均为第一标注。