单细胞RNA测序揭示人类骨骼干细胞的多样性及其在衰老和疾病中的作用

《Cell Stem Cell》：Human skeletal development and regeneration are shaped by functional diversity of stem cells across skeletal sites

　　

骨骼是人体中结构和组成上最多样化的器官系统之一，其生长、维持和再生依赖于骨骼干细胞的持续补充。然而，人类骨骼干细胞的身份及其在不同骨骼部位和生理病理状态下的功能差异一直未被充分揭示。

近日，加州大学戴维斯分校医疗中心和斯坦福大学医学院领导的研究团队利用单细胞RNA测序技术，从十个骨骼部位分离出人类骨骼干细胞并加以分析，揭示了其在骨骼发育、衰老和疾病中的关键作用。

这项研究成果于3月20日发表在《Cell Stem Cell》杂志上。

研究背景

骨骼干细胞（hSSC）是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，能够分化为成骨细胞、软骨细胞和基质细胞，对骨骼的形成、维持和修复至关重要。然而，由于人类骨骼干细胞的稀有性和获取难度，对其特性和功能的研究一直面临挑战。近年来，单细胞RNA测序技术的发展为深入研究骨骼干细胞的异质性和功能提供了可能。

研究方法

研究人员从人类胎儿骨骼的十个不同部位（包括长骨、椎骨和颅骨等）分离出骨骼干细胞，并利用单细胞RNA测序技术对其进行全面分析。通过流式细胞分选技术，研究人员富集了表达特定细胞表面标记的骨骼干细胞（CD45-CD235a-TIE2-CD31-CD146-PDPN+CD73+CD164+），并结合功能实验验证了这些细胞的克隆扩增和分化能力。

研究结果

研究人员发现，不同骨骼部位的hSSC之间存在明显的异质性，主要分为软骨生成型、成骨型、基质型和纤维生成型四种亚型。这些亚型在骨骼发育过程中具有不同的功能和分布特点。

在追踪hSSC的分化路径后，他们发现生长板区域的hSSC主要促进软骨和骨基质组织的发育，在促进骨骼纵向生长方面起关键作用，而骨膜区域的hSSC则更多地分化为纤维基质细胞，为皮质骨提供韧性和灵活性。这些结果强调了hSSC的功能与解剖位置密切相关。

此外，研究人员还发现，随着年龄的增长，hSSC的频率和功能逐渐下降，特别是在骨折愈合过程中，老年患者的hSSC表现出较低的克隆形成能力和骨/软骨形成能力。这种功能下降与hSSC向纤维生成型亚型的偏移有关，导致骨折愈合过程中纤维组织的过度生成，而非正常的骨组织再生。

利用布尔算法，研究人员还揭开了hSSC的基因调控网络。结果表明，在成骨型hSSC中，SOX9-FERMT1-IHH基因调控环路必须激活，同时防止BMPR1A相关基因程序的抑制。为了验证这一点，他们使用了小分子SAG21k（激活hedgehog通路）和DMH1（阻断BMP信号转导），发现联合使用可显著增强患者hSSC的成骨能力。

研究意义

这项研究不仅揭示了人类骨骼干细胞的多样性及其在骨骼发育、衰老和疾病中的关键作用，还为骨骼再生医学提供了新的治疗靶点。通过深入理解hSSC的基因调控网络和功能差异，未来有望开发出针对骨骼疾病的新型治疗方法，例如通过调节hSSC的亚型分布和功能，促进骨折愈合和骨质疏松的治疗。

此外，研究还为骨骼干细胞的基础研究提供了丰富的数据资源，有助于进一步探索骨骼干细胞的生物学特性和调控机制。随着技术的不断进步和研究的深入，相信人类骨骼干细胞的神秘面纱将被逐步揭开，为骨骼疾病的治疗带来新的希望。