关节是骨骼系统的重要组成部分，其发育起始于妊娠后的6至8周。在此过程中，中胚层和外胚层衍生的细胞迁移至不同区域，经历区域特异性的成骨过程，并通过复杂的谱系分化趋同，最终形成具备重要支持与保护功能的组织和细胞。然而，骨骼与关节的形成究竟涉及哪些细胞类型，以及这些细胞如何协同合作构建骨骼系统，一直未被完全破解。这一领域系统性研究的空白不仅阻碍了对先天性关节疾病如颅缝早闭症的深入理解，也限制了对骨关节炎及类风湿性关节炎等疾病机制的探索，同时制约了基于成骨与软骨细胞的再生医学和细胞治疗的发展潜力。
2024年11月20日，英国桑格研究所的 Sarah Teichmann 团队的博后费丽江及其合作者在Nature杂志上发表了一篇重要研究，题为 A Multi-omic Atlas of Human Embryonic Skeletal Development。该研究聚焦于妊娠后5至11周人类骨骼和关节的发育过程，首次通过配对液滴单核转录组与染色质开放性测序技术，结合多种单细胞空间技术，对髋关节、膝关节、肩关节、颅盖骨以及颅底等部位的样本进行了系统性分析，绘制出了目前最详细、最精准的人类骨骼发育多组学图谱，揭示了骨骼形成的过程，并阐明了关节炎等疾病相关的细胞起源（图1）。
该研究通过336,162个高质量的同时具有单核转录组和染色质开放信息的细胞，定义了100余种细胞亚型及其基因表达特征，其中包括大量此前未被描述的新型细胞亚型，尤其是丰富的软骨细胞与成骨细胞类型。研究人员详细解析了颅骨中区域特异性的成骨谱系细胞及祖细胞亚型及其基因调控网络。例如在颅骨中，研究人员定义了两个颅缝间充质的细胞群体，以及成骨细胞前体。通过OrganAxis工具，研究人员揭示了这些细胞类型的在空间生态位中的发育轨迹，并且发现了内皮细胞募集与膜内成骨之间的关联（图2）。在软骨发育的谱系中，研究人员揭示了区域特异性的软骨细胞亚型及其来源，明确了关节软骨形成过程中不同软骨亚型的空间定位。此外，研究捕捉到人类胚胎骨骼与关节中Schwann cell的发育过程，并推测Schwann cell是软骨细胞的一种非经典来源。这一发现与此前的小鼠研究相互印证。
有趣的是，研究人员通过对发育细胞图谱的深入分析，揭示了发育与疾病之间的关联,加深对疾病的发生机制的理解。例如，在颅盖骨内，研究不仅描述了对颅骨形成至关重要的细胞类型，并分析了特定基因突变如何导致颅骨发育异常，如颅缝早闭症。这种疾病由于颅缝的过早融合，限制了新生儿大脑的正常发育。同时，研究人员还比较了与骨关节炎高风险相关的基因变异与妊娠前三个月形成关节的细胞群体之间的关系。结果发现，与髋关节骨关节炎相关的基因变异主要影响早期成骨细胞的发育及其下游调控因子，而膝关节炎风险则与软骨形成密切相关。这些发现为解析骨骼相关疾病的发生机制提供了新的思路。
此外，研究团队开发了两项新工具：ISS-Patcher 和 SNP2Cell(图3,4)。前者通过转录相似性，从液滴数据中推断细胞标签并将其映射到高分辨率的空间原位测序数据集上，精准复原了细胞的空间定位；后者则整合单细胞转录组、染色质可及性和 GWAS 数据，用于识别疾病相关的关键细胞类型，并将复杂疾病精准定位至细胞类型特异性的基因调控网络上。这些技术突破不仅提升了数据解析的深度，也为未来基于细胞层面的疾病研究和药物开发奠定了基础。
人类细胞图谱的联合创始人、通讯作者 Sarah Teichmann 教授总结道：“我们独特且开放共享的骨骼图谱，为孕早期软骨、骨骼和关节的发育提供了新的见解。这是首次将相关细胞和通路系统性整合的一项研究成果。该图谱结合了前沿的空间技术与遗传分析，能够供全球研究社区广泛使用。这份详细的骨骼发育图谱，不仅时间与空间上高度协调，还与其他研究形成互补，使‘人类细胞图谱’计划向全面理解人体发育、健康与疾病的目标又迈进了一步。”
这篇文章是本次Nature及其相关子刊上同时发表的40篇人类细胞图谱计划（HCA）研究之一。作为由 Sarah Teichmann 和 Aviv Regev 两位女性科学家领导的国际联盟，HCA 致力于建立全球共享的开放平台，以推动对人体发育、健康与疾病的系统性理解，为普及和优化全球医疗保健奠定基础。
英国Sanger研究所的Sarah Teichmann为文章的通讯作者，第一作者为博士生Ken To,博后费丽江和博后Jan Patrick Pett，其他合作方还包括英国牛津大学，加州大学旧金山分校等。
图1：人类胚胎骨骼发育的多组学研究概览
图2：颅骨内成骨细胞与内皮细胞偶联的空间发育轨迹
图3：ISS-Patcher 工作流程示意图
图4：SNP2cell 工作流程示意图
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08189-z
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