“文献精读系列”是脊柱脊髓损伤再生修复教育部重点实验室举办的常规科研交流学习会议，旨在聚焦领域内前沿进展，探究学术尖端技术研究路线，培养锻炼青年科研人员与硕博生科研思维。
【文献精读】会议日期：2023年12月19日 审校人/共同撰稿人：林古法 报告人/撰稿人：赵变变 编辑：宋思敏
低等脊椎动物具有一种独特的无瘢痕愈合以及再生丢失器官的能力，这种能力在成年后仍然保留。相比之下，哺乳动物已经失去了器官再生的能力。鹿角提供了一个研究哺乳动物自发再生的独特模型，因为它的再生与哺乳动物长骨发育在临床上有相似之处。每年春天，鹿角从其角柄长出，然后从位于角柄的骨膜中再生出鹿角骨和软骨。在晚春和初夏，鹿角生长并钙化，大约需要3到4个月的时间，生长速度为每天2.75厘米，矿物质沉积速度为每天3.2毫米，这在中等到大型哺乳动物中是最高的。到了夏末，鹿角上的茸皮覆盖物脱落，留下死骨准备交配。在第二年春天，鹿角脱落，新一轮的再生开始。
以往的研究主要集中在鹿角再生过程的形态学和组织学方面，发现了一些正向选择的基因、调节元件以及与快速鹿角生长相关的基因，但鹿角再生的细胞和分子机制仍不清楚。
2023年2月24日，西北工业大学生态环境学院邱强教授和王文教授团队、空军军医大学西京医院黄景辉教授团队、长春科技学院李春义教授团队与吉林农业大学李志鹏教授团队等通力合作，在顶级学术期刊《Science》上在线发表题为“A population of stem cells with strong regenerative potential discovered in deer antlers”的文章。该研究首次在鹿角中发现、鉴定并分离了一群具有强大骨再生潜能的干细胞群。这一发现对于骨再生和骨损伤修复有重要的转化研究潜能，给哺乳动物器官再生、器官损伤修复带来新的洞见。
为了理解鹿角再生的细胞和分子机制，研究人员收集了鹿角再生连续8个阶段的样本，建立了单细胞分辨率的鹿角再生发育细胞图谱，包括：间质细胞（PMCs），成纤维细胞，软骨细胞，成骨细胞，免疫细胞，内皮细胞和血管周细胞等。其中，研究人员鉴定出一个间质细胞类群，在鹿角再生中发挥重要作用。
图1 再生鹿角细胞图谱
在对细胞类型进行更为细致的划分后，研究人员分析了鹿角再生过程中细胞图谱的动态变化。他们发现，在鹿角脱落前和再生0天时，再生组织主要由3类间质细胞组成（PMC1，PMC2，PMC3）；而到再生5天时，细胞异质性明显增加，出现了第四个间质细胞类群，即PMC4细胞群。
接下来一组实验，展示了这群PMC4细胞的强大骨再生能力。研究人员分别将不同阶段的鹿角再生组织移植到裸鼠（不会产生免疫排异）模型中，可以看到：移植再生0天角柄骨膜组织最终形成的组织以成纤维细胞为主；移植再生5天鹿角再生组织后，裸鼠在45天后形成了类似鹿角的组织（骨和软骨组织）。进一步实验则证实，再生的骨和软骨来自于移植组织而非裸鼠本身。这些PMC4细胞特异高表达TNN、TNC、PTN、DLX5等再生相关基因，并且PMC4可以向下分化为成软骨细胞和软骨细胞，都表明PMC4是鹿角骨再生的关键细胞群。基于上述结果，研究人员将再生5天组织定义为“鹿角再生芽基”，将PMC4细胞群定义为“鹿角芽基祖细胞”（antler blastema progenitor cells, ABPCs）。
图2 鹿茸再生的细胞动态图谱及关键再生祖细胞的鉴定
研究者将鹿角再生芽基的单细胞转录组数据与可再生的小鼠趾尖、不可再生的小鼠断趾、蝾螈四肢和斑马鱼尾鳍的再生芽基单细胞转录组数据进行了分析比较，发现可再生的小鼠趾尖芽基中存在类似于ABPCs的细胞群，而其它芽基中不存在这群细胞。这一差异提示，哺乳动物与其它非哺乳动物有着不同的再生机制，而ABPCs或许在哺乳动物的附肢再生中发挥重要作用。
利用表面特征标志物（FGFR2和CX43），研究人员将ABPCs从鹿角再生5天组织中分离出来进行研究。相比人类骨髓干细胞（BMSCs），ABPCs有更强的自我更新能力，以及更显著的成软骨和成骨的能力。裸鼠肾囊膜下异位成骨模型以及兔骨缺损修复模型的实验结果，进一步证实ABPCs的骨骼修复能力显著优于大鼠BMSCs，为骨再生医学研究提供了一类新的干细胞类群。
图3 ABPCs (CX43 + FGFR2 + 细胞)的表型和功能角色塑造
为了进一步研究鹿角快速生长的细胞和分子机制，作者对鹿角快速生长阶段生长中心的5个组织层进行了单细胞转录组测序以及Bulk转录组测序，发现ABPCs位于鹿角的尖部，提供了鹿角持续生长的干细胞池。通过与小鼠胚胎骨骼发育单细胞数据的比较，作者鉴定出了151个与骨骼发育相关的保守基因，涉及MAPK、BMP和TGFβ等信号通路。
图4 鹿茸快速生长的空间细胞和遗传异质性
总的来说，这项工作建立了鹿角再生全周期的时间-空间细胞图谱，系统描述了鹿角再生和快速生长的细胞分子机制；鉴定出一类哺乳动物特有的干细胞群，发现该细胞群展现出了极强的自我更新及骨骼修复的能力。该研究为理解哺乳动物再生提供了全新的认知，同时为再生医学提供了新的研究方向。
参考文献：Qin T, Zhang G, Zheng Y, Li S, Yuan Y, Li Q, Hu M, Si H, Wei G, Gao X, Cui X, Xia B, Ren J, Wang K, Ba H, Liu Z, Heller R, Li Z, Wang W, Huang J, Li C, Qiu Q. A population of
