Science：我国学者揭示干细胞在鹿角再生中的重要作用，为实现器官再生奠定基础

撰文丨李晓韦

编辑丨叶水送

有一种动物，堪称动物界的“奢侈之王”：每年都长，下一年“看不顺眼”扔了再长，它就是梅花鹿。 鹿角一年一度的再生，令人称奇，它也为科学家研究哺乳动物的器官再生提供了有价值的参考模型。

2023年2月23日，西北工业大学生态环境学院邱强教授、王文教授、长春科技学院李春义教授、空军军医大学西京医院黄景辉教授、吉林农业大学李志鹏教授团队合作，在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为： A population of stem cells with strong regenerative potential discovered in deer antlers 的研究论文。

研究团队 探索了鹿角再生机制，描绘出了鹿角再生的单细胞图谱，为器官再生、再生医学添上了重要的一笔。

鹿角的再生能力是生物领域探寻的奥秘之一。

为了揭开这个奥秘，研究人员对鹿可以长出新鹿角的非凡再生能力开展了研究。既往的研究已经发现，干细胞在鹿角的再生中扮演了重要的角色。

神奇的再生能力

在自然界，低等的脊椎动物具有十分显著的愈合能力。小时候我们经常会看到壁虎断尾求生，没过多久就能长出新的尾巴，非常神奇。

相比之下，许多哺乳动物基本上已经失去了附属物或器官再生的能力。然而，有一个例外——鹿角的再生，是少有的哺乳动物中可再生的例子。

鹿角为研究哺乳动物的自发再生提供了一个可以研究的模型，研究人员发现，它的再生与哺乳动物的长骨发育很相似。

图片来自animaldiversity.org

在前几年，研究者对鹿角再生的研究主要集中在再生过程的组织学和形态学方面，也有研究发现了一些与鹿角快速生长相关的基因、调控元件等，但涉及鹿角再生的详细细胞图谱和分子机制尚未明确。

为了探索这个问题，研究团队研究了梅花鹿 （Cervus nippon） 鹿角再生的过程，描述了鹿角再生的单细胞图谱及分子机制。

Science期刊封面

王文是西北工业大学演化生物学家，他与合作者一起研究反刍动物的适应性进化过程，曾在Science期刊连发三篇论文。如今他的研究团队仍在梅花鹿鹿角再生这一研究领域继续驰骋。

值得一提的是，王文也是前段时间公布的“新基石研究员”成员之一，最高可获得3000万元的资助力度，足可见他从事的项目对评委专家的吸引力度。

是谁主导了鹿角的再生？

回到这篇论文，在梅花鹿鹿角的再生过程中，软骨和骨骼每年都以非常快的速度完成再生。

研究团队为了全面评估鹿角再生过程中发生的基因转录动态和细胞类型变化，在鹿角再生过程的各个阶段应用了单细胞RNA测序技术进行分析。

然后，他们使用体内和体外实验来评估关键干细胞群的效力和功能，从而找到这种神奇再生能力的奥秘。

鹿角的再生过程示意图，图片源自science

研究人员一共分析了74730个覆盖鹿角再生关键阶段的细胞。他们将所有样本当中的细胞进行了汇总、可视化，随后将细胞分配到8个细胞群中。

8个细胞群及演化过程

在这8个细胞群中，PRRX1+间充质细胞 （PMCs） 在样本中的数量很多。值得一提的是，这种类型的细胞在青蛙和蝾螈的肢体再生过程中也至关重要，在小鼠的趾尖再生过程中也非常重要，这让研究人员非常好奇，它是否在鹿角的再生过程中也起到了关键作用。

研究人员发现，鹿角再生的轨迹以PMCs、成软骨细胞和软骨细胞为主，总体趋势是由PMCs逐步转变为成软骨细胞和软骨细胞。

PMCs细胞群体的确主导了鹿角再生的过程。

鹿角再生的关键细胞

为了进一步分析软骨再生的过程，研究人员对上述几种细胞类型进行了亚分类分析，探索再生过程的细胞群体究竟是如何变化的。

如前文所述，在再生前和再生后0天的椎弓根骨膜中，PMCs细胞数量很丰富，代表了一个主要的骨膜细胞群。

研究人员分析了PMCs的细胞组成，发现了三种亚型：骨膜基质细胞 （SFRP2+细胞群，PMC1） 、骨膜间充质祖细胞 （PMF1+细胞群，PMC2） 和趋化骨膜细胞 （CXCL14+细胞群，PMC3） ，并且证实这些细胞同时驻留在椎蒂骨膜中。

除了上述的三种亚型细胞群外，另一种类型的PMC细胞 （PMC4） 以及小比例的软骨细胞，在铸造后5天开始出现，这表明鹿角再生的第5天，细胞异质性有所增加，软骨开始分化。

随后，研究人员开始思考，这些具有分化能力的PMCs细胞团能不能在别的生物中也产生鹿角呢？

于是，研究者尝试用第0天和第5天的PMCs细胞团在裸鼠中能否长角。

结果发现，第5天的细胞团在移植后的45天成功分化出了鹿角状结构 （有软骨和骨） ，证实了这些细胞的确具有异位生成鹿角的能力。

研究者也让小鼠“长角”了

值得一提的是，第5天后，巨噬细胞也开始增加 （这是伤口愈合必须的细胞） ，表明免疫系统在鹿角再生中也起着关键作用。

由于PMC4细胞群的关键作用，研究人员将其称为“鹿角母细胞祖细胞” （ABPCs） 群体，指导鹿角再生过程。

值得一提的是，经过跨物种比较后，研究人员在几种哺乳动物的胚细胞中都发现了ABPCs。

ABPCs在体内和体外均表现出较强的自我更新能力，并且它们生成骨软骨的分化能力很强，这意味着它们在软骨再生治疗中的具有潜在的医学价值。

总的来说，这项研究建立了鹿角再生的时空细胞图谱，为哺乳动物的器官再生提供了有用的遗传和组织学方面的科学依据。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add0488

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