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Cell突破丨人類骨骼幹細胞終於被鑑定出來

9月
25
2018

2018年9月25日15時 今日科學 BioArt

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撰文丨老冰

責編丨迦漵

骨骼是一種精密而活躍的器官,它由骨、軟骨、脂肪、成纖維細胞、神經、血管和造血細胞的多種組織構成,且具有一定的再生潛力。骨骼功能障礙可引發許多疾病,從骨質疏鬆症、骨關節炎等年齡相關的常見病,到非癒合性骨骼損傷、血液疾病,甚至癌症都可能和骨骼問題有關。目前改善骨骼功能的相關治療方案仍十分有限,主要原因之一是我們對人類骨骼系統中的幹細胞調節機制了解十分有限。

骨骼中的每種組織類型的產生和維持都離不開相應幹細胞的精確調節,這些幹細胞具有分裂和分化產生不同細胞譜系的能力。其中,研究最透徹的是造血幹細胞(hematopoietic stem cell,HSC),其具有典型的細胞表面蛋白組合,可在體外培育形成細胞群落,在體內具有長期造血,即產生各類血細胞的功能。

骨骼組織中還可能存在另一些幹細胞,作為非造血細胞系(如骨、軟骨、血管內皮和基質)的起源1。長期以來,學界致力於在人類骨骼中鑑定出這些假設存在的幹細胞,卻一直難以確定可靠的細胞表面標誌物、合適的組織解離方案和功能性幹細胞試驗。最早,人們只能在培養基上培養分離出的骨骼「間質幹細胞(mesenchymal stem

cells)」,它們由多種類型的幹細胞組成,而不是最原始的骨骼幹細胞(skeletal stem cell,SSC)。後來,骨骼幹細胞上特定的表面蛋白陸續被發現,它們在分化過程中表達出相應的功能,CD146+細胞甚至可以在小鼠里重建出具有造血功能的人類小骨2。然而,這些過去研究中表達標記蛋白的細胞,在功能上終究是異質性的,不能反映人類骨骼幹細胞層級系統的實質。

2015年,通過譜系追蹤和克隆分析等手段,科學家找到了小鼠骨骼幹細胞(mouse SSCs,mSSCs)存在的證據3-5。最近,人類骨骼幹細胞(human skeletal stem cell,hSSC)終於被首次鑑定,該工作於9月20日以Identification of the Human Skeletal Stem

Cell為題發表在Cell雜誌上,由斯坦福醫學Michael T. Longaker團隊完成。這項工作主要包括hSSC的分離和相關功能檢驗、個體hSSC基因表達分析以及驅動骨骼發生過程的進化趨同或趨異通路分析。

首先,研究發現了人類骨骼幹細胞的發展層級。hSSC的標誌性蛋白由PDPN、CD146、CD73和CD164組成,純化出的PDPN+CD146-CD73+CD164+細胞群落,在體外具有自我更新的能力(該研究通過連續產生細胞群落形成單位(colony forming units,CFUs)的能力表征),在小鼠腎下移植,能夠線性地分化出含有骨、軟骨和基質的多向性小骨(multilineage

ossicles):首先分化出早期骨、軟骨和基質的祖細胞(hBCSP),接著是骨祖細胞(hOP)和軟骨祖細胞(hCP),最後才分化出骨骼、軟骨和基質細胞。值得注意的是,hSSCs不會分化為脂肪細胞(表明脂肪細胞可能來源其他常駐的骨髓幹細胞)。

通過新建立的人骨異種移植小鼠模型(將18周胎兒帶完整骨膜的指骨移植物移植到5日齡的免疫缺陷NSG小鼠中所得),研究者在相對可控的環境中評估了損傷對人體肢體骨骼的影響。研究發現,在急性骨骼損傷後,hSSCs會在損傷部位發生顯著的局部擴張,這證明了hSSCs作為幹細胞對骨骼損傷的再生反應。

關於造血支持功能的試驗表明,hSSC分化出的基質可以在無血清培養條件下維持人造血幹細胞(hHSCs)的生長。研究者還發現了hSSCs和hSSC衍生細胞群能夠表達多種潛在的造血支持細胞因子,包括ANGPT1,CSF1,SDF,IL27,IL7和SCF;對應的,hHSCs也表達了多種可能支持hSSC細胞系的因子,包括BMP2,BMP8A,DHH,FGF3,WNT1和WNT8。

第二,研究發現,hSSC及其下游分化細胞不僅可以從胎兒和成人的骨骼中成功分離,也能夠從BMP2處理的人脂肪基質(BMP2-treated human adipose stroma,B-HAS)和誘導多能幹細胞(induced pluripotent stem

cells,iPSC)中獲得。通過scRNA-seq定量分析,發現胎兒和成人的hSSCs分化時的基因表達存在差異,可以一定程度解釋不同來源hSSC形成的小骨中,軟骨和骨的比例不同的現象。

第三,該研究通過比較小鼠和與人類SSCs在轉錄組學和表觀遺傳學上的區別,發現了幹細胞介導的骨骼形成在進化上保守的調節通路,以及另一些趨異的分子通路,後者可能在骨骼發育中起到調節物種特異性的作用。

研究圖解摘要

總的來說,通過對小鼠和人類SSC及其下游骨骼細胞譜系的鑑定,這項研究為我們描繪出幹細胞介導的人體骨骼組織形成的細胞譜系圖,為未來研究骨骼形成、發育的遺傳和分子決定因素打下了基礎,推進了骨骼疾病分子診斷和治療的發展,有利於緩解退行性、腫瘤性、創傷後或手術後的多種骨骼疾病給人類帶來的巨大醫療負擔。

參考文獻

1. Méndez-Ferrer Simón, Michurina Tatyana V, Ferraro Francesca, et al. Mesenchymal and haematopoietic stem cells form a unique bone marrow niche. nature, 2010,

466(7308):829.

2. Sacchetti Benedetto, Funari Alessia, Michienzi Stefano, et al. Self-renewing osteoprogenitors in bone marrow sinusoids can organize a hematopoietic microenvironment.

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3. Chan Charles KF, Seo Eun Young, Chen James Y, et al. Identification and specification of the mouse skeletal stem cell. Cell, 2015, 160(1):285-298.

4. Marecic Owen, Tevlin Ruth, McArdle Adrian, et al. Identification and characterization of an injury-induced skeletal progenitor. Proceedings of the National Academy of

Sciences, 2015, 112(32):9920-9925.

5. Worthley Daniel L, Churchill Michael, Compton Jocelyn T, et al. Gremlin 1 identifies a skeletal stem cell with bone, cartilage, and reticular stromal potential. Cell,

2015, 160(1):269-284

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