分子细胞科学卓越创新中心邹卫国组与周波组合作鉴定参与骨折损伤修复的Itm2a阳性骨外膜骨骼干细胞类群

文章来源:分子细胞科学卓越创新中心  |  发布时间:2024-09-09  |  【打印】 【关闭

  

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Lsd1Itm2a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