四肢的骨骼系统起源于完整的软骨原基 (cartilage anlagen)。随着发育进行，关节部位的原始软骨细胞停止表达软骨细胞标志基因Col2α1，并开始表达GDF5等基因，最终分化成interzone细胞【1】。Interzone细胞是各种关节组织提供祖细胞，包括半月板、十字韧带、关节软骨及滑膜。以往研究发现Hedgehog、Wnt及Tgfβ/BMP等信号调节interzone形成和关节发育，但这一重要生理过程的代谢调控机制尚不清楚【3-6】。2025年1月8日，美国费城儿童医院/宾夕法尼亚大学宋超（现就职于华中科技大学同济医学院附属同济医院骨科）和 Fanxin Long教授在Science Advances杂志在线发表题为Tgfβ signaling stimulates glycolysis to promote the genesis of synovial joint interzone in developing mouse embryonic limbs的研究成果，揭示了Tgfβ信号调节的糖酵解在interzone形成及关节发育中的关键作用。该研究团队首先通过单细胞测序发现低氧及糖酵解通路在膝关节interzone细胞中明显上调。进一步免疫荧光、2-NBDG显像等表明，与临近软骨细胞相比，interzone细胞的葡萄糖转运蛋白Glut1表达水平及糖酵解水平更高。为明确糖酵解在interzone形成中的作用，作者利用肢芽间充质特异性Prx1Cre对Glut1/Glut3基因进行条件性敲除，发现Prx1Cre;Glut1f/f;Glut3f/+小鼠肢体严重短缩、膝关节十字韧带缺失且半月板显著缩小，此外，Prx1Cre;Glut1f/f;Glut3f/f(DCKO)小鼠膝/肘关节部位出现异常骨化组织、关节结构完全消失（图1）。胚胎期组织学研究发现，Glut1/3缺失导致膝关节interzone形成障碍。进一步利用软骨细胞特异性Col2Cre及interzone细胞特异性GDF5Cre对Glut1/3进行敲除，发现 Glut1/3主要在膝关节interzone形成过程中、而非形成后发挥作用。分子机制方面，单细胞测序发现Glut1/3敲除导致interzone细胞中Tgfβ信号通路下调。图1：条件性敲除Glut1和Glut3导致严重的关节发育异常。（A）为全身骨骼染色；（B）为番红/固绿染色。DCKO指Prx1Cre;Glut1f/f;Glut3f/f, F指股骨，T指胫骨。（原文图3）
作者因此进一步构建了Prx1Cre;Tgfβr2f/f突变鼠并发现Tgfβr2缺失导致膝关节interzone形成障碍、Glut1/3表达下调及关节发育异常。体外实验发现Tgfβ2激活mTOR-Hif1α促进软骨细胞糖酵解及Glut1/3的表达。图2：Glut1/3敲除导致膝/肘关节interzone形成障碍（胚胎期E12.5和E13.5）。（原文图4）
综上所述，该研究揭示了interzone形成及关节发育的代谢基础，为关节再生提供了新的思路。美国费城儿童医院/宾夕法尼亚大学William Wikoff Smith讲席教授Fanxin Long为本文通讯作者，宋超博士为本文第一作者。原文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adq4991制版人：十一
1. Shwartz Y, Viukov S, Krief S, Zelzer E. Joint Development Involves a Continuous Influx of Gdf5-Positive Cells. Cell Rep. 2016;15(12):2577-87.2. Rux D, Decker RS, Koyama E, Pacifici M. Joints in the appendicular skeleton: Developmental mechanisms and evolutionary influences. Curr Top Dev Biol. 2019;133:119-51.3. Brunet LJ, McMahon JA, McMahon AP, Harland RM. Noggin, cartilage morphogenesis, and joint formation in the mammalian skeleton. Science. 1998;280(5368):1455-7.4. Bandyopadhyay A, Tsuji K, Cox K, Harfe BD, Rosen V, Tabin CJ. Genetic analysis of the roles of BMP2, BMP4, and BMP7 in limb patterning and skeletogenesis. PLoS Genet. 2006;2(12):e216.5. Spagnoli A, O'Rear L, Chandler RL, Granero-Molto F, Mortlock DP, Gorska AE, et al. TGF-beta signaling is essential for joint morphogenesis. J Cell Biol. 2007;177(6):1105-17.6. Seo HS, Serra R. Deletion of Tgfbr2 in Prx1-cre expressing mesenchyme results in defects in development of the long bones and joints. Dev Biol. 2007;310(2):304-16.
BioART战略合作伙伴
（*排名不分先后）
转载须知
【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。
