LKB1/AMPK信号在骨骼肌卫星细胞老化过程中的作用与机制研究

In recent years, studies have found that microenvironmental factors including metabolic state exert an important influence on the stem cell properties and the aging process of skeletal muscle satellite cells. But it remains elusive about the ways these factors work and the molecular and cellular mechanisms of satellite cell aging. Previous and our studies show that senescent satellite cells can be rejuvenated under appropriate conditions. LKB1/AMPK is a key signal in modulating cellular energy metabolism and homeostasis. Recent calorie restriction etc. works suggest that such kind of modulation can enhance the function of satellite cells. In combination with our preliminary work, we suppose LKB1/AMPK is an important pathway mediating the impact of some microenvironmental factors on satellite cells aging. For this reason, the project will first examine the effect of metabolic stress on the Lkb1/AMPK signal of muscle satellite cells. Then we’ll detect the changes of Lkb1/AMPK signal pathway in senescent satellite cells. The research will focus on the effects of Lkb1/AMPK signal on the self-renewal, proliferation and differentiation potential of aging satellite cells, through specific activation and targeted knockout method. And the effect of intracellular and microenvironmental Lkb1/AMPK signal on regenerative capability of satellite cells will be studied by application of bidirectional stem cell transplantation. We will further investigate the main intracellular downstream pathways involved in this process through specific intervention methods. By clarifying the cellular and molecular mechanism of skeletal muscle satellite cell aging, it will probably offer strategies for keeping or even recovering the self-renewal, proliferation and differentiation potential of satellite cells, and further provide effective prevention and therapeutic clues for the sarcopenia and other aging-related degenerative diseases.

近几年研究发现，微环境包括代谢等因素对骨骼肌卫星细胞的老化和干细胞属性具有重要影响，但对其作用途径及卫星细胞老化的分子机制了解很少；老化肌卫星细胞在合适条件下具有再年轻化潜能。LKB1/AMPK是调控细胞能量代谢和稳态的关键信号分子，热量限制等手段能增强老化肌卫星细胞功能活性。结合前期工作，我们认为LKB1/AMPK是介导微环境因素引起肌卫星细胞老化的重要途径。为此本课题将首先明确代谢应激对肌卫星细胞Lkb1/AMPK信号的调节；检测老化卫星细胞该信号途径的变化，通过特异活化和靶向敲除等方法重点研究Lkb1/AMPK信号对卫星细胞自我更新和增殖分化的影响，并探讨其作用的胞内信号途径；应用双向移植等手段观察微环境和细胞内AMPK信号对卫星细胞再生能力的影响。通过深入阐明肌卫星细胞老化的分子机制，探索恢复其自我更新和增殖分化潜能的抗衰策略，为防治增龄性骨骼肌丢失症等老年退行性疾病提供线索。

近几年研究发现，微环境包括能量代谢等因素对骨骼肌卫星细胞的老化和干细胞属性具有重要影响，但对其中的信号途径及细胞分子机制了解很少。课题首先观察了热量限制(CR)对老年小鼠骨骼肌组织和肌卫星细胞AMPK信号途径的影响，通过流式分选检测了老年及CR情况下肌卫星细胞AMPK信号的变化；观察了离体条件下激活成肌细胞AMPK途径对其能量代谢模式和细胞增殖分化的影响，并通过细胞移植等方法检测了能量代谢转变后成肌细胞干细胞属性的改变；通过采用中等强度耐力运动训练，观察了耐力运动对骨骼肌卫星细胞功能活性及AMPK信号的影响，并研究了自噬活动在此过程中的作用；通过生物信息学等手段，建立了更为有效准确检测骨骼肌纤维等组织学改变的分析方法。.结果显示老年骨骼肌卫星细胞数量与功能呈现明显下降，热量限制能显著促进老化进程中骨骼肌纤维线粒体的生成及活性，激活肌卫星细胞AMPK信号并改善卫星细胞功能。离体条件下激活AMPK信号途径导致成肌细胞能量代谢模式由糖酵解为主转为氧化磷酸化为主，线粒体生物合成明显增强但功能活动无同步增高，成肌细胞增殖、分化能力受到明显抑制，表达更为幼稚的肌原性前体细胞标志分子（PAX7、myf5表达上调）；细胞移植实验显示AMPK活化成肌细胞呈现更好的移植后存活和定向增殖分化，提示保持了更好的肌原性干细胞属性。在老年小鼠耐力运动能明显增强小鼠肌卫星细胞功能活性，表现为损伤后卫星细胞活化效率和新生骨骼肌纤维数量明显增多，在分选肌卫星细胞的检测显示耐力运动激活细胞AMPK信号途径同时细胞呈现自噬活动显著增强（自噬小体、ATG12等）；离体情况下通过药理学手段激活成肌细胞AMPK信号，也发现细胞自噬活动明显升高，且细胞移植实验提示自噬增强能促进移植后成肌细胞的存活及增殖分化。利用卷积神经网络方法，建立了对离体在体肌纤维图像进行分析计算的方法，有效分割准确率约94%。.上述结果从多角度说明了能量代谢改变对骨骼肌干细胞（肌卫星细胞）及其活化形态成肌细胞功能活性具有重要影响，AMPK信号途径及其相关的细胞自噬活动改变可能是该过程重要的细胞分子机制；这些一方面为耐力运动、热量限制等的骨骼肌、特别是干细胞效应提供了科学基础，同时更为有效保存干细胞功能属性、临床潜在的干细胞治疗等提供了新的思路。