骨的发育或再生过程离不开骨骼祖细胞的持续分化去生成成骨细胞。以往的工作致力于研究体内骨骼祖细胞的身份，已经发现的有骨髓基质细胞，部分早期软骨细胞和骨膜基质细胞等细胞类型都具有骨骼祖细胞的功能。但是不同细胞类型的骨骼祖细胞之间的层级关系以及它们各自在骨骼生长及损伤修复过程中的分工还不明确。
北京时间2021年9月8日晚23时，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在线发表题为“Tracing the skeletal progenitor transition during postnatal bone formation”的研究论文。
此项工作首次提出在青春期前后骨骼的生长维持由软骨细胞和骨髓基质细胞分别主导，并且两者之间存在上下游的层级关系。
在本项工作中，研究人员首先利用单同源重组酶谱系示踪系统在小鼠骨骼发育的不同阶段（围产期和成体期）对软骨细胞（Acan+/Col2+cells）以及骨髓基质细胞（LepR+ cells）进行分别示踪。研究发现在小鼠青春期前，骨骼发育的主要贡献者是围产期的软骨细胞而非围产期的骨髓基质细胞。在小鼠青春期后，成骨细胞的主要来源则转变为成体时期的骨髓基质细胞而非成体时期的软骨细胞。
为了研究两种细胞发育上的上下游关系，研究人员构建了互斥型双同源重组酶（Dre-rox;Cre-loxp）谱系示踪系统：Col2-dre;Lepr-cre;IR。在单重组酶示踪条件下，软骨细胞及其谱系被标记为Tomato, 骨髓基质细胞谱系则被标记上ZsGreen。在互斥型的双同源重组酶示踪系统中，若某一细胞最早起源于软骨细胞，后面即使转变为骨髓基质细胞也不会被标记为ZsGreen，反之亦然。实验结果表明，与单独的示踪系统相比，在双同源重组酶系统中被标记为ZsGreen的细胞显著减少。因此，大部分的骨髓基质细胞及其谱系位于软骨细胞下游。
为了进一步研究不同时期的软骨细胞和骨髓基质细胞及其谱系的关系，研究人员还构建了可诱导型的双同源重组酶系统：Acan-creER;R26LSL-ZsGreen;Lepr-dreER;R26RSR-Tomato。与上述互斥型双同源重组酶系统不同的是，此系统可以实现双荧光在同一细胞中出现。实验结果表明，骨髓基质细胞来源的成骨细胞和软骨细胞来源的成骨细胞在分布呈现明显的梯度特点。靠近干骺端的成骨细胞主要来源于软骨细胞，而位于骨干的成骨细胞主要来源于骨髓基质细胞。
研究人员同时利用条件性敲除的技术手段，研究两种细胞行使的生理功能。在围产期的软骨细胞敲除Runx2会造成股骨纵向生长的迟缓。而在成体时期的骨髓基质细胞中敲除Runx2会损伤股骨横向增粗。在运动条件刺激下，围产期的软骨细胞能更多的生成成骨细胞，而几乎不影响成体时期的骨髓基质细胞的成骨能力。
综上所述，该工作首次揭示了由两种骨骼祖细胞介导的在青春期前后维持骨的不同位置的生长和稳态。也从祖细胞角度解释了不同发育阶段骨骼纵向生长和横向增粗的原因。
周波研究员为该论文的通讯作者，舒慧博士和刘逸铭博士为共同第一作者。周波实验室的唐新宇博士，张心怡博士参与了这项工作。合作者包括分子细胞科学卓越创新中心的邹卫国研究员和周斌研究员。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.08.010
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