参与骨折损伤修复的Itm2a阳性骨外膜骨骼干细胞类群

　　

9月3日，国际学术期刊Journal of Clinical?Investigation在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)邹卫国研究组、周波研究组和冯恒博士的最新合作研究成果:“Itm2a expression marks periosteal skeletal stem cell that contribute to bone?fracture healing”。该研究发现整合膜蛋白2A(integral membrane protein 2A,?Itm2a)可以标记一群骨外膜上的骨骼干细胞，并且该群细胞能够参与骨折损伤修复。

骨折是一种常见的骨损伤，其中骨不连的发生率约为5%~10%，这些病人的骨骼无法正常愈合。骨折的修复需要不同的细胞和组织协同参与，同时涉及众多复杂的信号通路。邹卫国组此前鉴定出了骨折损伤修复过程中的关键表观遗传因子Lsd1(Sun?Jun. et al., Science Advances,?2020)。该团队与周波组合作，利用谱系示踪和单细胞测序技术解析了骨折修复的全过程，发现骨膜尤其是纤维层的骨膜，对骨修复至关重要(Liu. et al.,?Developmental Cell, 2024)。然而，目前仍缺少骨膜的特异性膜蛋白标志物，导致利用干细胞移植治疗骨折愈合不良的临床转化受到阻碍。

该研究利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，对已知作为骨修复细胞来源的Prrx1-Cre阳性的骨膜组织进行细胞类群解析，发现Prrx1-Cre阳性的骨相关细胞类群中特异的膜蛋白—整合膜蛋白2A分子(Itm2a)。通过体外干细胞功能验证实验，发现Itm2a阳性骨膜细胞相较于Itm2a阴性细胞具有更强的肾包膜下的体外成骨能力。此外，将Itm2a阳性的骨膜细胞移植到小鼠骨缺损部位后，发现这群细胞能够有效促进缺损骨的修复。

随后，为了追踪这群细胞在骨损伤修复过程中的命运轨迹，研究人员对新构建的Itm2a-CreER小鼠进行了骨折损伤后的谱系示踪实验，证明了Itm2a阳性骨膜细胞能够产生成骨细胞、软骨细胞和骨髓基质细胞。实验结果显示，Itm2a阳性的细胞可以作为参与骨折和骨缺损修复过程的祖细胞。进一步深入研究Itm2a细胞类群在骨折损伤修复中的作用，研究人员对Itm2a阴性和阳性的骨膜细胞进行了转录组测序，发现BMP信号通路在Itm2a阳性细胞中有明显的富集。通过和Bmp2?F/F小鼠的结合，实现在Itm2a谱系细胞中对Bmp2的基因敲除。随后，对基因敲除小鼠的骨折损伤造模，发现BMP信号通路在Itm2a阳性细胞参与骨折损伤修复中具有重要作用。同时，对表观遗传因子Lsd1在Itm2a谱系中的基因敲除，或利用DTA小鼠清除Itm2a谱系细胞，均会导致骨折愈合障碍。此外，在人的骨骼样本中能够检测到ITM2A的表达，并且这群细胞具有更强的干细胞特性。Itm2a的膜蛋白特性表明，Itm2a阳性细胞在骨折的临床治疗中具有应用潜力，Itm2a-CreER小鼠的构建为骨膜的相关研究提供了良好的动物模型。

分子细胞卓越中心邢文晖博士和冯恒博士为该文共同第一作者，邹卫国研究员、周波研究员和冯恒博士为共同通讯作者。该项研究得到了分子细胞卓越中心曾艺研究员、周斌研究员、赵允研究和上海交通大学李保界教授的大力支持。该工作得到中国科学院、国家自然科学基金委、国家科技部等项目资助，并得到分子细胞卓越中心公共技术服务中心动物实验技术平台、细胞分析技术平台和分子生物学技术平台的大力支持。

文章链接：https://doi.org/10.1172/JCI176528

Itm2a阳性细胞作为骨折损伤修复过程中的祖细胞