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Cell Stem Cell | 当骨骼干细胞遭遇青春期——周波课题组揭示小鼠青春期前后骨骼干细胞来源发生转变

骨骼干细胞(skeletal stem cell)是哺乳动物骨骼发育、维持和再生的细胞来源,它们在体外能够形成成纤维细胞样克隆(CFU-F),并具有成骨、成软骨和成脂肪三系分化活性;它们在体内能够分化成成骨细胞【注:成软骨和成脂肪活性不是体内成骨干细胞的检验标准】。经典的观点认为,骨骼干细胞的主要来源于骨髓基质细胞【1】,它们也常常被称作骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cell),是目前临床应用仅次于造血干细胞的成体干细胞。


众所周知,哺乳动物的骨骼在出生后会快速生长,但进入青春期(adolescence)后,这种快速增长(lengthening)的模式会逐渐转变成缓慢的增粗(thickening)。这种青春期前后骨骼生长模式变化的机制是什么?为什么成年之后身体不再长高?长期运动能促进骨骼生长吗?


2021年9月8日,中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周波课题组在Cell Stem Cell在线发表了题为“Tracing the skeletal progenitor transition during postnatal bone formation”的研究论文。该工作揭示小鼠青春期前后骨骼干细胞来源发生了转变,这为期间骨骼生长模式的转变提供了细胞基础,也为实现成体骨骼继续增长指明了方向。


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周波课题组一直致力于干细胞的发育调控研究,他们之前的研究发现造血干细胞在青春期受到脑垂体激素的远程调控【2】。在最近的这项工作中,他们发现,青春期以前的成骨细胞主要来源于生长板内的Acan+软骨细胞,而青春期以后的成骨细胞主要来源于骨髓内的Lepr+基质细胞。生长板软骨纵向成骨,实现骨骼增长;骨髓基质细胞横向成骨,实现骨骼的增粗(见下图)这一发现革新了人们对成骨干细胞来源的经典认识。


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青春期前后骨骼干细胞属性的转变


根据周斌研究员开发的双同源重组酶系统的原理【3】,周波课题组实现了生长板软骨和Lepr+骨髓基质细胞的同步示踪,该系统不仅展示了两类骨骼干细胞在青春期的动态转变过程,同时发现大部分Lepr+骨髓基质细胞起源于生长板软骨。将Runx2基因分别从生长板软骨和Lepr+骨髓基质细胞中条件性敲除会分别影响骨骼的增长和增粗,这也印证了这两群骨骼干细胞在骨骼发育和生长过程中的分工。这同时意味着——如果让生长板软骨重新激活,有望让成体骨骼继续延伸,进入“第二春”,这也将是周波课题组下一步的重点攻关方向。


运动有利于骨骼增长还是增粗?在动物跑步实验中,周波课题组发现长期坚持跑步会显著促进生长板软骨的成骨分化,但对Lepr+骨髓基质细胞则没有显著影响。因此,坚持跑步运动对于青春期以前的骨骼生长更有益处,换言之,运动——要从娃娃抓起。


据悉,中国科学院分子细胞科学卓越创新中心二年级博士生舒慧是本项工作的第一作者,二年级硕士生刘逸铭是本项工作的共同第一作者。


来源:bioart


原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.08.010



参考文献


1       Zhou, B. O., Yue, R., Murphy, M. M., Peyer, J. G. & Morrison, S. J. Leptin-receptor-expressing mesenchymal stromal cells represent the main source of bone formed by adult bone marrow. Cell Stem Cell 15, 154-168, doi:10.1016/j.stem.2014.06.008 (2014).

2       Peng, Y. J. et al. Luteinizing hormone signaling restricts hematopoietic stem cell expansion during puberty. The EMBO journal 37, doi:10.15252/embj.201898984 (2018).

3       He, L. et al. Enhancing the precision of genetic lineage tracing using dual recombinases. Nat Med 23, 1488-1498, doi:10.1038/nm.4437 (2017).


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