GD:靳文菲教授团队利用膝关节软骨细胞的转录组图谱揭示骨关节炎分子机制

2024-05-20 靳文菲 Genes and Diseases 发表于威斯康星

研究首先构建了膝关节软骨细胞的转录组图谱,鉴定了骨关节炎患者膝关节特异性的软骨细胞亚群,从而发现了骨关节炎发病的新的分子机制。

骨关节炎(Osteoarthritis , OA)是一种常见的退行性关节疾病,以关节软骨损害为主,表现为软骨退变、纤维化、缺损、断裂等损害。然而,目前我们对骨关节炎发生的分子机制知之甚少。另一方面,对软骨细胞异质性认识的不足阻碍了人们对骨关节炎分子机制的认识。因此,研究骨关节炎发病的分子机制对于其精准诊疗具有重要意义。

近日,中国科学院上海营养与健康研究所/南方科技大学靳文菲团队在本刊发表了题为“Single-cell transcriptomic analysis of chondrocytes in cartilage and pathogenesis of osteoarthritis”的研究论文,这项研究首先构建了膝关节软骨细胞的转录组图谱,鉴定了骨关节炎患者膝关节特异性的软骨细胞亚群,从而发现了骨关节炎发病的新的分子机制。

1、构建膝关节的软骨细胞图谱

该研究使用健康人膝关节软骨组织构建了软骨细胞图谱,鉴定了9个软骨细胞亚群(图1),分别是稳态软骨细胞(HomC)、增殖性软骨细胞(ProC)、肥大软骨细胞前体细胞(PreHTC)、肥大软骨细胞-1(HTC-1)、调节性软骨细胞(RegC)、肥大软骨细胞-2(HTC-2)、纤维化软骨细胞前体细胞(PreFC)、纤维化软骨细胞(FC)和增殖性软骨细胞(ProFC)。    

图1. 膝关节软骨组织的细胞图谱。人健康膝关节软骨细胞的细胞UMAP聚类(A)和软骨细胞亚群经典标志基因的表达(B)(原图中Figure 1 A和B)。

2. 发现两种功能迥异的肥大软骨细胞亚群

该研究发现了两类肥大软骨细胞亚群:肥大软骨细胞-1(HTC-1)和肥大软骨细胞-2(HTC-2)。HTC-1高表达基因富集了细胞凋亡调控、程序性死亡、细胞对外界压力的应答、免疫系统细胞因子信号、受伤愈合等信号,尤其高表达了细胞凋亡相关基因如ADAMTS5和FGF2。HTC-2高表达基因富集了骨骼系统发育、胶原纤维组织、细胞因子应答、生长调控和软骨合发育等信号,尤其高表达与胶原合成相关的基因(COL1A1、BGN)(图2)。这些结果表明HTC-1和HTC-2是两个功能迥异的肥大软骨细胞亚群。

图2 膝关节的两类肥大软骨细胞亚群及其特征(原图中Figure 2 A、C和D)。

3. 推演出两条软骨细胞假时间轨迹

该研究推演出软骨细胞存在两条主要的假时间轨迹,分别为软骨细胞纤维化轨迹(ProC→PreHTC→HTC-2→PreFC→FC)和软骨细胞凋亡轨迹(ProC→PreHTC→HTC-1)。这意味着软骨细胞在肥大软骨细胞前体细胞亚群/PreHTC时存在凋亡或纤维化两种命运选择,表明这两种软骨细胞命运选择对于维持软骨的稳态具有重要意义(图3)。

图3 软骨细胞的两个假时间轨迹:凋亡轨迹和纤维化轨迹(原图中Figure3 A、D和E)。

4. 发现骨关节炎患者特异性软骨细胞亚群和特异性表达基因

该研究构建了骨关节炎膝关节的软骨细胞转录组图谱,与健康图谱比较发现了骨关节炎特有的软骨细胞亚型ProFC-2。此外,该研究还发现HTC-1和ProFC等软骨细胞亚群的细胞占比在骨关节炎软骨中显著增加,而HomC、ProC和 PreHTC等软骨细胞亚群的细胞占比在骨关节炎软骨中显著减少。骨关节炎患者的HTC-1和ProFC高表达基因富集了受伤应答、胶原降解、胞外基质降解、胞外基质重新组织等信号(图4)。

图4 骨关节炎患者的软骨细胞亚群和基因表达的变化(原图中Figure4 A、D;Figure5 C、E和Figure6 G、I)。

5. 总结

骨关节炎影响着全球5亿以上人口,且患病率在上升。本研究构建了关节软骨的细胞图谱,增加了人们对软骨细胞异质性的认识;发现了骨性关节炎患者的特异性软骨细胞亚群和其特异性表达的基因,提出了新的骨性关节炎的分子机制。这些发现对于骨关节炎的诊疗具有重要的参考价值。   

文章来源

Huang C, Zeng B, Zhou B, et al. Single-cell transcriptomic analysis of chondrocytes in cartilage and pathogenesis of osteoarthritis. Genes Dis.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352304223000545

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