重大发现！两种骨系细胞群体与成年小鼠年龄相关性骨质疏松的关联探秘

为明确骨系细胞（OLCs）特性及与骨质疏松关系，研究人员分析相关数据，发现 OLC1 和 OLC2，揭示其作用，意义重大。

在人体的骨骼世界里，骨组织如同一个充满活力的 “小宇宙”，时刻进行着骨重塑的奇妙过程。这一过程依赖于破骨细胞（负责骨降解）和成骨细胞（负责骨基质合成）的协同运作，它们就像一对默契的 “舞者”，在骨骼的舞台上翩翩起舞，维持着骨骼的健康与强壮。然而，随着年龄的增长，这对 “舞者” 的节奏开始紊乱，骨重塑失衡，骨质疏松等代谢性骨病悄然来袭，严重影响着人们的健康。

在这个骨骼 “小宇宙” 的骨髓微环境中，间充质干细胞（MSCs）扮演着至关重要的角色，它们就像是拥有神奇变身能力的 “魔法师”，能够分化为骨、脂肪和软骨等多种细胞。其中，表达血小板衍生生长因子受体（PDGFR^α+β⁺）的 MSCs 更是多样，它们在不同发育阶段为骨形成贡献力量。不过，构成成骨细胞发育轨迹的骨系细胞（OLCs），却如同神秘的 “隐者”，其特性和分化轨迹一直未被完全揭示。尽管科学家们知道瘦素受体（Lepr⁺）骨髓 MSCs（BM - MSCs）来源的 OLC1，但对于其他 MSCs 群体相关的 OLCs，依旧知之甚少。同时，OLCs 不仅对骨形成和架构意义重大，还参与调节造血稳态，其功能失调与多种疾病相关。所以，深入了解 OLCs 的奥秘，对于揭开骨质疏松等疾病的发病机制，寻找有效的治疗方法至关重要。

为了探索 OLCs 的神秘面纱，南方科技大学的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们整合分析了来自 14 个数据集的 77 个单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）文库，对骨髓微环境中 OLCs 的异质性及其谱系关系展开了深入研究。研究成果发表在《Cellular and Molecular Life Sciences》杂志上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员在探索过程中运用了多种关键技术方法。首先，精心收集并筛选小鼠骨髓单细胞研究数据，这些数据来自不同年龄阶段的样本，为研究提供了丰富的素材。接着，利用 Cell Ranger 等工具对数据进行预处理和质量控制，确保数据的可靠性。之后，通过无监督聚类分析和标记基因鉴定，准确识别出不同的细胞类型。同时，运用多种分析方法，如 RNA 速度分析、轨迹分析、基因调控网络推断等，深入探究细胞的分化轨迹和基因调控机制。此外，还借助单细胞疾病相关性评分（scDRS），将 scRNA - seq 数据与全基因组关联研究（GWAS）结果相结合，评估细胞类型与疾病的关联。

下面让我们看看具体的研究结果：

• 单细胞分析揭示成年小鼠独特骨系细胞群体：研究人员重新分析 3 个月大的小鼠骨髓基质细胞，发现不同 MSCs 亚群表达特定标记基因。进一步研究出生后 7.5 天（P7.5）小鼠的骨髓基质细胞，发现其与成年小鼠存在差异。随后，通过整合 77 个 scRNA - seq 文库数据，研究人员成功在成年小鼠骨髓微环境中鉴定出 17137 个 OLC1 细胞和 6835 个 OLC2 细胞，首次明确两种潜在的 OLC 类型，它们来源不同且占据不同解剖位置。
• OLC1 和 OLC2 在骨化过程中发挥不同作用：尽管 OLC1 和 OLC2 都参与骨化，但它们表达的功能基因存在差异。研究人员通过负二项式广义线性模型，发现 2430 个在 OLC1 和 OLC2 之间差异表达的显著基因，其中 OLC1 特异性基因 1882 个，OLC2 特异性基因 548 个。例如，OLC1 高表达 Gdpd2、Satb2 等 45 个成骨细胞分化相关基因，OLC2 高表达 Nppc、Ostn 等 23 个相关基因，且 Id4 在 OLC1 中显著表达，Tnn 仅在 OLC2 中表达。富集分析显示，OLC1 在细胞周期中活性显著，OLC2 在细胞外基质（ECM）组织中起重要作用。细胞周期分析表明，OLC1 和 OLC2 增殖活性有限，且 OLC1 中处于 S 和 G2M 期的细胞比例相对较高。此外，ECM 形成相关基因在成骨细胞、软骨细胞和 OLC2 中高表达。
• OLC1 和 OLC2 起源于不同间充质细胞：通过分区图抽象（PAGA）和皮尔逊相关性分析，研究人员发现 BM - MSCs 是 OLC1 的祖细胞，P - MSCs 产生 OLC2。同时，两者都与成骨细胞关系密切，且具有较高的成骨细胞分化模块得分。在单细胞水平研究转录组动态变化时发现，BM - MSCs 向 OLC1 分化过程中有 5694 个动态表达基因，向脂肪细胞分化有 2694 个；P - MSC 向 OLC2 分化有 1630 个动态表达基因，向软骨细胞分化有 2921 个。并且，OLC2 的分化程序与软骨细胞向成骨细胞的转变途径不同，OLC2 谱系中 ECM 相关基因表达活跃。
• OLC1 和 OLC2 具有不同的基因调控网络：利用 RNA 速度推断细胞分化方向，研究人员发现 OLC1 和 OLC2 发育过程中，关键转录因子的表达存在差异。例如，Sp7、Mef2c 等与 OLC1 发育正相关，Twist1、Nfib 等与 OLC2 发育相关。通过 SCENIC 分析，在 OLC1 谱系中鉴定出 7 个调节模块，多数与成骨细胞分化和骨骼系统发育有关；在 OLC2 谱系中鉴定出 16 个调节模块，13 个在骨骼系统发育、成骨细胞分化和骨化中起关键作用，进一步验证了驱动转录因子的作用。
• 确定 OLC1 和 OLC2 的表面标记：研究人员以编码细胞膜蛋白的基因为核心，在 OLC1 或 OLC2 中鉴定出 143 个差异表达基因，筛选出 32 个候选基因。其中，Pdgfrb 和 Ncam1 在 OLC1 和 OLC2 中均高表达，Bst2 可区分两者。流式细胞术分析表明，Bst2⁺OLC1 约占 Lin ^- Pdgfrb⁺Ncam1⁺OLCs 的 75%，Bst2 ^- OLC2 约占 25%，且 Bst2 在骨和骨髓 OLCs 中的表达分布不同，体现出 OLC1 和 OLC2 在分布上的差异。
• OLC1 和 OLC2 与骨矿密度相关：运用 scDRS 评估细胞类型与疾病的关联，研究发现骨矿密度（BMD）与 OLC1、OLC2 和成骨细胞显著相关，而 BM - MSC 和 P - MSC 群体与 BMD 关联较弱。随着 OLC1 和 OLC2 的发育，其 BMD 得分增加。进一步探究相关基因发现，OLC1 中有 249 个、OLC2 中有 119 个与 BMD 相关的差异表达基因，且两者相关基因在功能上存在差异，OLC1 主要涉及骨骼发育，OLC2 主要与 ECM 组织相关，功能富集分析也证实了这一点。
• OLC1 和 OLC2 缺失导致年龄相关性骨质疏松：研究人员对比年轻和老年小鼠的基因表达谱，发现老年小鼠骨中 ECM 相关基因显著下调，尤其是 OLC2 特异性 ECM 基因，而 OLC1 特异性 ECM 基因变化不明显。同时，OLC1 和 OLC2 相关的谱系驱动基因在老年小鼠中表达降低。免疫组化染色显示，老年小鼠中 Id4⁺OLC1 和 Tnn⁺OLC2 数量明显减少。对年轻和老年小鼠骨髓和骨中的单细胞进行分析，发现老年小鼠中 OLC1 和 OLC2 群体显著减少，表明老年小鼠中 OLC1 和 OLC2 发育受损，这可能是年龄相关性骨质疏松的重要原因。

综合研究结果和讨论部分，这项研究意义非凡。研究人员首次在单细胞水平揭示了两种不同的 OLC 群体，即 OLC1 和 OLC2，它们具有独特的分子特征和分化途径。这两种细胞都与 BMD 密切相关，且在老年小鼠中均减少，尤其是 OLC2 特异性 ECM 基因的减少，在年龄相关性骨质疏松的发病机制中可能起着关键作用。该研究为深入理解骨重塑的动态过程提供了新视角，也为代谢性骨病，特别是年龄相关性骨质疏松的治疗，指明了潜在的细胞靶点，为未来开发更有效的治疗策略奠定了坚实基础，有望在未来为众多受骨质疏松困扰的患者带来新的希望。