9月3日，國際學術期刊Journal of Clinical?Investigation在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)鄒衛(wèi)國研究組、周波研究組和馮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”。該研究發(fā)現(xiàn)整合膜蛋白2A(integral membrane protein 2A,?Itm2a)可以標記一群骨外膜上的骨骼干細胞，并且該群細胞能夠參與骨折損傷修復。

骨折是一種常見的骨損傷，其中骨不連的發(fā)生率約為5%~10%，這些病人的骨骼無法正常愈合。骨折的修復需要不同的細胞和組織協(xié)同參與，同時涉及眾多復雜的信號通路。鄒衛(wèi)國組此前鑒定出了骨折損傷修復過程中的關鍵表觀遺傳因子Lsd1(Sun?Jun. et al., Science Advances,?2020)。該團隊與周波組合作，利用譜系示蹤和單細胞測序技術解析了骨折修復的全過程，發(fā)現(xiàn)骨膜尤其是纖維層的骨膜，對骨修復至關重要(Liu. et al.,?Developmental Cell, 2024)。然而，目前仍缺少骨膜的特異性膜蛋白標志物，導致利用干細胞移植治療骨折愈合不良的臨床轉化受到阻礙。

該研究利用單細胞RNA測序(scRNA-seq)技術，對已知作為骨修復細胞來源的Prrx1-Cre陽性的骨膜組織進行細胞類群解析，發(fā)現(xiàn)Prrx1-Cre陽性的骨相關細胞類群中特異的膜蛋白—整合膜蛋白2A分子(Itm2a)。通過體外干細胞功能驗證實驗，發(fā)現(xiàn)Itm2a陽性骨膜細胞相較于Itm2a陰性細胞具有更強的腎包膜下的體外成骨能力。此外，將Itm2a陽性的骨膜細胞移植到小鼠骨缺損部位后，發(fā)現(xiàn)這群細胞能夠有效促進缺損骨的修復。

隨后，為了追蹤這群細胞在骨損傷修復過程中的命運軌跡，研究人員對新構建的Itm2a-CreER小鼠進行了骨折損傷后的譜系示蹤實驗，證明了Itm2a陽性骨膜細胞能夠產(chǎn)生成骨細胞、軟骨細胞和骨髓基質細胞。實驗結果顯示，Itm2a陽性的細胞可以作為參與骨折和骨缺損修復過程的祖細胞。進一步深入研究Itm2a細胞類群在骨折損傷修復中的作用，研究人員對Itm2a陰性和陽性的骨膜細胞進行了轉錄組測序，發(fā)現(xiàn)BMP信號通路在Itm2a陽性細胞中有明顯的富集。通過和Bmp2?F/F小鼠的結合，實現(xiàn)在Itm2a譜系細胞中對Bmp2的基因敲除。隨后，對基因敲除小鼠的骨折損傷造模，發(fā)現(xiàn)BMP信號通路在Itm2a陽性細胞參與骨折損傷修復中具有重要作用。同時，對表觀遺傳因子Lsd1在Itm2a譜系中的基因敲除，或利用DTA小鼠清除Itm2a譜系細胞，均會導致骨折愈合障礙。此外，在人的骨骼樣本中能夠檢測到ITM2A的表達，并且這群細胞具有更強的干細胞特性。Itm2a的膜蛋白特性表明，Itm2a陽性細胞在骨折的臨床治療中具有應用潛力，Itm2a-CreER小鼠的構建為骨膜的相關研究提供了良好的動物模型。

分子細胞卓越中心邢文暉博士和馮恒博士為該文共同第一作者，鄒衛(wèi)國研究員、周波研究員和馮恒博士為共同通訊作者。該項研究得到了分子細胞卓越中心曾藝研究員、周斌研究員、趙允研究和上海交通大學李保界教授的大力支持。該工作得到中國科學院、國家自然科學基金委、國家科技部等項目資助，并得到分子細胞卓越中心公共技術服務中心動物實驗技術平臺、細胞分析技術平臺和分子生物學技術平臺的大力支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1172/JCI176528

Itm2a陽性細胞作為骨折損傷修復過程中的祖細胞