Nature | 揭示表达Prrx1对结缔组织干细胞调节的重要作用

特殊结缔组织，包括骨和脂肪组织，控制各种生理活动，包括矿物质和能量的内稳态。然而，在整个成年期维持这些组织的干细胞的身份仍然不清楚。

2022年12月1日，上海交通大学李保界及陆军军医大学陈林共同通讯在Nature Genetics杂志在线发表题为“Prrx1marks stem cells for bone, white adipose tissue and dermis in adult mice”的研究论文，该研究通过在敲入Cre/CreERT2细胞系中进行遗传谱系追踪和细胞耗竭实验，发现在成年小鼠中，罕见的Prrx1表达细胞作为骨、白色脂肪组织和真皮的干细胞，对这些组织的内稳态和修复不可或缺。单细胞分析揭示了Prrx1表达细胞的周期性和多能性，这些细胞的干细胞性通过移植试验得到进一步验证。

此外，该研究还鉴定了表达Prrx1的干细胞的细胞表面标记物，并表明这些干细胞的活性受Wnt信号的调节。总之，这些发现扩展了我们对结缔组织内稳态/再生的认识，可能有助于改进基于干细胞的治疗。

特殊结缔组织，如骨、软骨和脂肪组织，来源于中胚层的间充质，具有矿物质代谢和能量稳态等功能，参与各种代谢紊乱的病因学，包括骨质疏松和肥胖。这些组织由特化细胞组成，例如骨骼组织中的成骨细胞和软骨细胞以及白色脂肪组织和真皮脂肪组织中的脂肪细胞。结缔组织是间充质间质细胞(mesenchymal stromal cells, MSCs)的来源，其体外特性定义为：可塑性粘附；CD73、CD90和CD105(人细胞)的表达；成骨，成软骨和成脂肪分化潜力。骨髓间充质干细胞被广泛用于基于细胞的治疗，但它们的身份仍有争议。结缔组织在童年/青春期旺盛生长后达到完全大小，然后由成体干细胞维持小鼠90%的寿命。有些组织使用不同的干细胞群进行发育和体内稳定。例如，成人的骨转换主要发生在骨髓腔的骨小梁和骨髓(bone marrow, BM)内膜。在已知的骨骼干细胞(skeletal stem cells, SSCs)中，生长板Col2+或Pthlh+SSCs和骨膜Ctsk+ SSCs在成人中大部分是静止的，BM Nes+骨膜周SSCs不需要骨维护，LepR+骨膜周SSC/ Cxcl12丰富的网状(Cxcl12-abundant reticular, CAR)细胞主要参与老年小鼠的骨形成和骨折愈合。虽然BM Grem1+ SSCs是出生后骨骼生长所必需的，但它们对成年骨稳态的作用尚不清楚。成人白色或真皮脂肪组织的更替较慢。在白色脂肪组织(white adipose tissues, WAT)中，脂肪祖细胞(adipose progenitor cells, APCs)可由Sca1+CD29+CD34+定义，并由Pdgfra和Pdgfrb在遗传上进行标记。最近的单细胞RNA测序(scRNA-seq)研究表明WAT含有脂肪干细胞2 (ASC2;group1, P1)，ASC1a(组2,P2, PreA)，ASC1b(组3,P3, Areg)和纤维免疫调节祖细胞(fibro-immunoregulatory progenitors, FIPs)。在真皮层中，Sox2+皮肤衍生祖细胞(skin-derived progenitors, SKPs)具有成脂潜力，而Dlk1和En-1(Engrailed 1)标志着皮肤发育过程中的真皮成纤维细胞祖细胞。然而，这些标记是否标记了成年小鼠的真皮干细胞尚不清楚。在寻找成人BM SSCs的过程中，研究人员重新检查了Prrx1的作用。使用转基因Prrx1-Cre和Prrx1-CreERT2小鼠(含有2.4 kb启动子/增强子)进行的研究表明，在E9.5胚胎中，Prrx1标记外侧板中胚层，从而产生成骨细胞和软骨细胞、腹腹沟白色脂肪组织(inguinal white adipose tissue, iWAT)和腹侧皮肤成纤维细胞、和骨膜/软骨膜形成层，但在成年小鼠中没有其他结缔组织。有趣的是，Prrx1-CreERT2iDTR小鼠中缺失的Prrx1+细胞不会显著影响骨量。鉴于转基因Cre小鼠的启动子的长度有限和不自然的位置导致的潜在问题，该研究生成了新的敲入Prrx1-Cre和Prrx1-CreERT2系，Prrx1比之前报道的更早表达，在更多的中胚层段中表达，位于E8.5中胚层段的Prrx1+细胞有助于BM、WAT和真皮组织的形成。

图1. 用敲入Prrx1- CreERT2tdTomato追踪发现，中胚层的Prrx1+细胞参与三种结缔组织(图源自Nature Genetics )在成年小鼠中，Prrx1+细胞是罕见的，它们代表了成年小鼠体内稳态和/或修复小骨/骨内膜以及各种白色脂肪和真皮组织所需的干细胞。BM或WAT Prrx1+干细胞可由CD31−CD45−CD29+CD130+定义，真皮Prrx1+细胞可由CD31−CD45−ITGAV+CD130+定义，并通过系列移植实验进一步支持这些细胞的干细胞性。该研究还发现了Prrx1+干细胞的重要特征和这些干细胞的调控机制。图2. Prrx1+细胞是骨折和皮肤伤口愈合所必需的细胞(图源自Nature Genetics )总的来说，该研究使用敲入Cre和CreERT2小鼠系、分子分析和细胞移植分析重新检查Prrx1系细胞，确定了驱动成年小鼠骨、WAT和真皮内稳态和再生的组织干细胞，并揭示了这些干细胞的重要特征和Prrx1+干细胞被调节的机制。这些发现应该有助于Prrx1+干细胞的分离和扩增，这可能有助于修复骨折和皮肤伤口。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-022-01227-4