炎症诱导的H4K20me1表观遗传侵蚀驱动衰老干细胞铁死亡
衰老的特点是机体干细胞功能和数量的下降。在这项研究中，我们发现了一种由系统性炎症驱动肌肉干细胞（MuSC）衰老的机制，这种机制通过表观遗传侵蚀实现。研究表明，与年龄相关的炎症减少了MuSC中H4K20的单甲基化，破坏其静止状态并诱导铁死亡——一种依赖铁的细胞死亡形式。我们的研究结果表明，炎症信号下调了负责沉积H4K20me1的酶Kmt5a，从而导致抗铁死亡基因的表观遗传沉默。这使得衰老的MuSC出现异常的铁代谢、增加的活性氧水平和脂质过氧化。值得注意的是，从12个月开始长期抑制系统性炎症能有效防止铁死亡，保留MuSC数量并增强肌肉再生和功能恢复能力。这些发现揭示了将慢性炎症与MuSC衰老和铁死亡联系起来的表观遗传开关，为对抗与年龄相关的肌肉退化提供了潜在的治疗策略。
系统性炎症重塑了衰老MuSC的表观遗传特性
肌肉再生受MuSC调控，既依赖于细胞内在机制，也依赖于细胞外在机制。在本研究中，我们旨在确定与年龄相关的循环系统变化如何被MuSC及其干细胞生态位的细胞成分整合。我们首先检查了年轻和老年小鼠血液及血浆中细胞和分子成分的变化。使用蛋白质组分析阵列筛选了超过100种细胞因子，并通过定量多重免疫测定验证候选因子，以确保无偏见的方法。老年小鼠的血浆显示出促炎细胞因子（TNF、白细胞介素IL-1α、IL-1β、IL-4、IL-6、CCL2、CCL7、CCL11和CCL12）以及髓系细胞水平升高，而淋巴细胞减少。转录组分析显示老年肌肉呈现促炎环境。结合血液蛋白质组学和肌肉转录组学的计算预测确定了CCR2信号通路显著激活，将系统性炎症与骨骼肌衰老联系起来。
Kmt5a维持静止状态和激活后的存活
为了评估Kmt5a在静止MuSC中的作用，我们生成了诱导型MuSC特异性Kmt5a敲除小鼠（Pax7CreERT2/+;Kmt5afl/fl [Kmt5aKO]）。在删除Kmt5a后，尽管几乎所有Kmt5aKO MuSC都缺乏Kmt5a（效率>95%），但体内MuSC数量并未立即发生变化。接下来，我们培养了野生型（Pax7+/+;Kmt5afl/fl）和Kmt5aKO小鼠的MuSC，以评估其成肌潜能、细胞增殖和存活能力。新鲜分离的MuSC（Pax7+）用成肌标志物染色，以评估随时间推移的成肌分化进程。我们使用Ki67和5-乙炔基-2′-脱氧尿苷（EdU）分别评估细胞周期重入（即激活）和活跃的细胞增殖情况。当脱离其生态位时，经培养的Kmt5a缺失细胞表现出增强的激活能力（Pax7+Ki67+），这与接种后24小时内H4K20me1丢失直接相关。进一步分析表明，Kmt5aKO MuSC表现出终末分化的缺陷，伴随形态异常特征（例如，出泡、核固缩和多核现象）以及基因组不稳定的分子特征。
Kmt5a保护MuSC免受铁死亡
为了揭示Kmt5a缺失导致MuSC损失的机制，我们进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq），揭示了MuSC亚群中动态的转录变化，特别是在静止和分化相关基因中。使用精确运行测序（PRO-seq）识别受H4K20me1介导的转录暂停调控的基因，我们发现在Kmt5aKO MuSC中铁死亡通路显著富集。铁死亡是一种受调控的铁依赖性细胞死亡形式，涉及活性氧、脂质过氧化和炎症信号。Kmt5a缺失的MuSC转录组分析显示了一种促铁死亡特征，表现为抗铁死亡基因（如Gpx4和Ftl1）的抑制以及铁死亡标志物（如Ptgs2、Hmox1和Tfrc）的诱导。此外，Gpx4和Ftl1表现出高启动子近端暂停指数，表明其直接受Kmt5a调控。基于这些结果，我们假设Kmt5a缺陷的MuSC会表现出铁代谢受损、胞内铁积累异常以及脂质过氧化水平升高，最终导致铁死亡。
H4K20me1侵蚀将衰老与MuSC铁死亡联系起来
虽然尚未从分子层面明确联系，但促炎特征增加、MuSC静止丧失和过早死亡是骨骼肌衰老的标志。尽管铁死亡作为一种程序性细胞死亡形式尚未完全理解，特别是其在干细胞稳态中的作用，但最近的证据表明铁死亡参与了多种与年龄相关疾病的发病机制。在本研究中，我们旨在确认Kmt5aKO MuSC中的关键发现是否与衰老生理相关。具体而言，我们评估了Kmt5a和H4K20me1对MuSC数量和功能随年龄下降的贡献。由于老化MuSC相比年轻小鼠的MuSC表现出较低的H4K20me1和Kmt5a水平，我们使用流式细胞术在单细胞水平上评估了H4K20me1丢失时老化的MuSC激活状态。流式细胞术分析显示，几乎所有来自年轻小鼠的静止MuSC都表现出高水平的H4K20me1（Ki67−H4K20me1high），而这一群体在老年小鼠中显著减少，表明H4K20me1侵蚀与信息论衰老模型一致。此外，超过95%进入细胞周期的MuSC（Ki67+）表现出H4K20me1水平降低，表明H4K20甲基化减少是静止退出的必要条件，也是早期MuSC激活的标志。
慢性炎症在年轻小鼠中模拟Kmt5a敲除效果
我们观察到急性炎症通过Kmt5a/H4K20me1对MuSC进行短暂的表观遗传重编程，这似乎有助于应对二次损伤的生理准备，因为其与激活特征相关。我们假设慢性低度炎症驱动H4K20me1的异常表观遗传侵蚀，导致MuSC因铁死亡而死亡。这是基于我们先前的研究，即生活在富含促炎因子生态位中的老化MuSC表现出低水平的H4K20me1，这与铁死亡细胞死亡相关。
抗炎干预阻止了MuSC衰老
尽管未在以前的研究中明确分子关联，但促炎特征增加、MuSC静止丧失和过早死亡是骨骼肌衰老的标志。尽管铁死亡作为一种程序性细胞死亡形式尚未完全理解，特别是其在干细胞稳态中的作用，但最近的证据表明铁死亡参与了多种与年龄相关疾病的发病机制。在本研究中，我们旨在确认Kmt5aKO MuSC中的关键发现是否与衰老生理相关。具体而言，我们评估了Kmt5a和H4K20me1对MuSC数量和功能随年龄下降的贡献。因为老化MuSC相比年轻小鼠的MuSC表现出较低的H4K20me1和Kmt5a水平，我们使用流式细胞术在单细胞水平上评估了H4K20me1丢失时老化的MuSC激活状态。流式细胞术分析显示，几乎所有来自年轻小鼠的静止MuSC都表现出高水平的H4K20me1（Ki67−H4K20me1high），而这一群体在老年小鼠中显著减少，表明H4K20me1侵蚀与信息论衰老模型一致。此外，超过95%进入细胞周期的MuSC（Ki67+）表现出H4K20me1水平降低，表明H4K20甲基化减少是静止退出的必要条件，也是早期MuSC激活的标志。
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