Cell Research |岳銳/劉兵/朱恒合作揭示早期人類胚胎骨骼干細(xì)胞起源
骨骼干細(xì)胞（Skeletal stem cell, SSC）是一群能夠自我更新并分化產(chǎn)生軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞的組織特異性干細(xì)胞，在骨骼發(fā)育和損傷修復(fù)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用【1】。與靜脈竇周的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞不同，SSC主要位于小鼠長骨生長板和骨外膜，且不具有在體分化為脂肪細(xì)胞的能力【1-4】。最近的研究發(fā)現(xiàn)，SSC也存在于孕17周人類胎兒長骨生長板中【5】，然而SSC在早期人類胚胎中的起源、分子特征及其調(diào)控機(jī)制仍不清楚。
2021年1月20日，同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院再生醫(yī)學(xué)研究所岳銳課題組聯(lián)合解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心劉兵課題組和北京放射醫(yī)學(xué)研究所朱恒課題組在Cell Research（IF=20.51）雜志在線發(fā)表了題為”Dissecting human embryonic skeletal stem cell ontogeny by single-cell transcriptomic and functional analyses”的研究論文（Article）。該研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序繪制了早期人類胚胎肢芽、長骨和顱骨的發(fā)育圖譜，并結(jié)合體內(nèi)外功能驗證發(fā)現(xiàn)了一群定位于軟骨外膜，具有自我更新和分化為軟骨與成骨細(xì)胞潛能的胚胎骨骼干祖細(xì)胞（Embryonic skeletal stem and progenitor cell, eSSPC）。該工作系國際上首次針對早期人類胚胎骨骼干細(xì)胞起源和異質(zhì)性的研究，對于深入理解人類骨骼發(fā)育及損傷修復(fù)機(jī)制具有重要意義。
? ? ?研究人員首先選取孕5周人類胚胎肢芽，以及孕8周人類胚胎長骨進(jìn)行高通量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，通過整合分析鑒定得到16個主要細(xì)胞類群。其中肢芽樣本富集了間質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞類群，而長骨樣本則富集了成骨前體細(xì)胞和軟骨細(xì)胞類群。根據(jù)轉(zhuǎn)錄組特征和假時序分析，研究人員發(fā)現(xiàn)高表達(dá)TWIST2和PDGFRA的成骨軟骨前體細(xì)胞（Osteo-chondrogenic progenitor，OCP）在肢芽和長骨樣本中均存在，提示最早的骨骼干祖細(xì)胞可能包含于其中（圖1）。
圖1. 人胚肢芽和長骨的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組全景圖
? ?? 研究人員通過對肢芽樣本的深入分析發(fā)現(xiàn)了4群間質(zhì)細(xì)胞和2群上皮細(xì)胞，并利用已知基因標(biāo)志物解析了其在肢芽中的空間分布情況以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控特征。接下來，研究人員通過對胚胎長骨OCP細(xì)胞進(jìn)一步分群鑒定得到3群干祖細(xì)胞，其中包括肢芽來源間質(zhì)細(xì)胞（LBDMC）、骨髓基質(zhì)細(xì)胞（BMSC）、以及一群具有分化為成骨前體細(xì)胞和軟骨細(xì)胞潛能的骨骼干祖細(xì)胞（eSSPC）。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)eSSPC富集了轉(zhuǎn)錄因子FOXP1/2。免疫熒光染色顯示FOXP1/2+細(xì)胞主要定位于軟骨外膜和新生的初級骨化中心內(nèi)部（圖2），這與此前在小鼠中發(fā)現(xiàn)的軟骨外膜前體細(xì)胞非常相似【6】。隨后，研究人員在差異基因中篩選得到一組細(xì)胞表面標(biāo)志物（PDGFRAlow/-PDPN+CADM1+）用于分選富集eSSPC群體，發(fā)現(xiàn)其具有較強的體外克隆形成能力。連續(xù)性克隆傳代以及體內(nèi)外分化實驗證明eSSPC具有自我更新和成骨、成軟骨分化潛能，但無法維持造血微環(huán)境（圖2）。此外，研究人員還對孕8周人類胚胎顱頂骨進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)了一群同樣具有PDGFRAlow/-PDPN+CADM1+表型的神經(jīng)脊來源細(xì)胞（Neural crest derived cells, NCDCs）在顱縫和軟骨膜內(nèi)富集，暗示其可能在膜內(nèi)成骨和顱骨發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
圖2. 胚胎骨骼干祖細(xì)胞（eSSPC）的特征和功能鑒定
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? ? 總而言之，該研究首次繪制了早期人類胚胎骨骼發(fā)育的單細(xì)胞圖譜，從轉(zhuǎn)錄組和功能學(xué)層面鑒定得到一群胚胎骨骼干祖細(xì)胞（eSSPC），提示人類骨骼干細(xì)胞有可能起源于胚胎軟骨膜內(nèi)（圖3）。鑒于成體骨骼損傷修復(fù)極大程度上模擬了胚胎發(fā)育過程，這一發(fā)現(xiàn)也為骨骼再生障礙性疾病的治療提供了新思路。
圖3. 胚胎骨骼發(fā)育和eSSPC的研究模型
同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院岳銳教授，解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心劉兵研究員及北京放射醫(yī)學(xué)研究所朱恒副研究員為該論文的共同通訊作者，博士研究生賀健，晏婧，汪健芳，辛倩和海軍軍醫(yī)大學(xué)長征醫(yī)院趙良瑜副教授為論文的共同第一作者。
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原文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41422-021-00467-z
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