Science Advances丨单细胞空间代谢组学发现腿部罕见“超快肌纤维”

2023-03-23 14:15:50, 华质菌华质泰科生物技术（北京）有限公司

骨骼肌纤维根据收缩和代谢特性，主要分为 I 型慢收缩肌纤维和 II 型快收缩肌纤维。

慢肌纤维适于耐力性运动，例如许多长跑选手就是属于慢收缩肌较多的人；而快肌纤维适合短时间高强度的爆发性动作。

小腿后侧腓肠肌 (GAS) 以快肌纤维为主，比目鱼肌 (SOL) 以慢肌纤维为主。

在动物世界中，还存在一些“超快肌纤维”。比如，蜂鸟翅膀的扇动频率可以达到每秒钟15-80次；响尾蛇的尾巴快速摇动发出“嘎啦嘎啦”声；蝙蝠喉部产生超声波可实现精准的回声定位。

目前在人类和一般哺乳动物中发现的“超快肌纤维”，只有控制快速眼球运动的眼外肌 (EOM)。眼外肌除在解剖学上与其他骨骼肌不同外，其代谢模式也不相同。

中科院动物研究所和北京干细胞与再生医学研究所黄仕强团队于2023年2月在《Science Advances》(影响因子14.957) 发表了一篇题为 Spatial metabolomics reveals skeletal myofiber subtypes 的论文。研究团队优化了基于 MALDI 和 AP-MALDI 的质谱成像 (MSI) 工作流程，对慢肌纤维和快肌纤维进行高空间分辨率的代谢组学分析。通过 MSI 和 LC-MS 相结合，产生了更可靠的空间代谢组学结果，成功地表征了肌纤维亚型的代谢特征，并在小鼠腿部肌肉发现了一种类超快收缩眼外肌的新型肌纤维代谢亚型 (2b mito^high)，其具有抗疲劳的代谢特征。

这是首次在小鼠腿部发现“超快肌纤维”，为未来研究打破人类手臂和腿部运动的物理速度限制带来了新希望。

骨骼肌是由四种不同代谢特征的肌纤维亚型组成。由于每个肌纤维实际上是一个单一的多核细胞，结构简单、体积大，以及肌纤维之间的代谢异质性可提供丰富的空间代谢信息，因此骨骼肌是进行高空间分辨率质谱成像的理想模型。

图1、MSI 工作流程示意图：每三个连续的肌肉切片作为一组，第一和第三个用免疫荧光 (IF) 分析，中间一组用 MSI 分析。MALDI-MSI 使用配备 SmartBeam II 激光的 MALDI-FTICR MS (SolariX 9.4T, Bruker); AP-MALDI-MSI 使用 AP-MALDI 离子源与 AB SCIEX 5600+耦合。

图2、（A）小鼠后肢 GAS-SOL 肌肉中慢肌纤维 (绿色) 和快肌纤维 (红色) 的免疫荧光染色图像。（B）基于 MSI 数据的慢肌纤维 (绿色) 和快肌纤维 (红色) 的 PCA (N=6) 。

1型慢肌纤维主要利用氧化代谢，其相关代谢途径比无氧代谢过程更耗时，显示线粒体氧化酶的更高表达，极其耐疲劳。2型肌纤维通常线粒体较少，比1型肌纤维更依赖于葡萄糖分解产生的能量，即糖酵解酶水平较高，可快速产生能量进行爆发性运动。

MALDI-MSI 和 AP-MALDI-MSI 代谢物图谱高度重现

小鼠比目鱼肌 SOL 由多数1型肌纤维和少数2a型肌纤维组成，而小鼠腓肠肌 GAS 由多数快肌纤维 (2a、2x 和2b 型) 和少数慢肌纤维 (1型) 组成。在快肌纤维中，指纹代谢物 anserine 丰度很高；在慢肌纤维中，磷脂酰胆碱 (PC) 和几种酰基肉碱含量很高。

肌纤维通常比一般的细胞体积大，25 μm 的空间分辨率下可以表征单个肌纤维的代谢组学特征，并在 2b 型肌纤维中识别出 2a 型或1型肌纤维。

MALDI-MSI 和 AP-MALDI-MSI 都能够区分慢肌纤维和快肌纤维之间的重要差异，但每一种都有其独特的检测范围，两种 MSI 技术结合可以覆盖更广泛的代谢物。

图3、（A）AP-MALDI-QTOF 和 MALDI-FTICR 检测的慢肌纤维 (绿色) 和快肌纤维 (红色) 的代谢产物 (左)。GAS-SOL 肌肉的多色免疫荧光染色（右）。（B）快肌纤维和慢肌纤维的 PLS-DA (N=24个独立 MSI 实验)。（C）在25 μm 的空间分辨率下，单细胞 MSI 对肌纤维的表现。免疫荧光染色 (上) 和 MSI 分析 (下)。（D）GAS-SOL 肌肉的 MALDI 和 AP-MALDI 的平均质谱图。（E）GAS-SOL 肌肉 MALDI 和 AP-MALDI MSI 鉴定的差异离子分布、慢肌纤维和快肌纤维的指纹代谢成像图。

LC-MS 和 MSI 相结合进行代谢组学分析

为进一步探索慢肌纤维和快肌纤维的代谢状态，通过 LC-MS 与 MSI相结合对快速收缩 EDL 肌肉和慢速收缩 SOL 肌肉的代谢谱进行表征，以验证能否能在空间代谢组学中识别复杂样品的代谢模式。

图4、肌纤维的 LC-MS 代谢组学分析。（A）来自不同动物 (N=3) 的快收缩肌纤维 EDL 和慢收缩肌纤维 SOL 的 PCA图。（B）EDL 和 SOL 肌肉中不同代谢物的热图 (P<0.05，N=3)。

发现具有眼外肌特征的新型肌纤维亚型

通过 MSI 空间代谢组学数据聚类分析观察是否有新的迄今尚未定性的肌纤维代谢亚型，结果发现在小鼠腿部肌肉存在一种新 2b mito^high 肌纤维代谢亚型。

为了解 2b mito^high肌纤维的特性，研究人员利用 PCA 可视化其转录组数据分析，发现它富含 Myh13、Myh8、Chrna2、Acadl、Ldhb 等、肌动蛋白、神经肌肉及代谢相关基因，其特征与眼外肌 (EOM) 非常接近。EOM 具有抗疲劳且超快收缩的特性，通过代谢、收缩和结构蛋白的表达来实现视觉系统精确定位和快速跟踪等复杂的高度特化运动。蜂鸟的翅膀肌肉中也报道过类似的亚型。

图5、空间转录组学发现 2b mito^high 肌纤维具有独特的 EOM 样特征。（B）2b mito^high型，2b mito^low 型，快速收缩和慢速收缩肌纤维的 PCA 主成分分析。（C）PC1 中七个显著差异基因的转录组丰度。

综上研究，利用 MSI 和 LC-MS 相结合产生了可靠的空间代谢组学结果，了解肌纤维的动态代谢状态有助于理解生理或病理条件下肌纤维重塑的机制，能为基本生物过程和疾病状态的代谢调节提供重要见解。

本研究是首次发现腿部存在新的代谢亚型，丰富了对骨骼肌纤维亚型的认识。更多的肌纤维和其他细胞类型的代谢亚型有待于通过高分辨率空间代谢组学和空间转录组学来发现。

● 更多详情，请参考文献：

Lanfang Luo, Wenwu Ma, Kun Liang, Yuefan Wang, Jiali Su, Ruirui Liu, Taoyan Liu, Ng Shyh-Chang. Spatial metabolomics reveals skeletal myofiber subtypes. Science Advances. 2023

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add0455

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