细胞数量与肥大软骨细胞协同调控小鼠和跳鼠尾椎比例发育与进化的遗传机制

为解决脊椎骨骼比例发育机制不清的问题，研究人员开展尾椎生长软骨细胞动态与遗传调控研究，发现细胞数量是脊椎伸长主要驱动力，肥大软骨细胞仅在跳鼠中极端促进生长。NPR3缺失导致小鼠近端尾椎和肢体不成比例伸长，揭示利钠肽信号通路是骨骼比例形成的关键调控机制。

　　

哺乳动物骨骼多样性令人惊叹，从长颈鹿的颈部到海豚的流线型躯干，脊椎骨骼的比例差异尤其显著。尽管所有哺乳动物颈椎数量恒定为7块，但单个椎骨的长度却存在巨大差异。这种差异如何发育和进化，特别是与已有较多研究的肢体骨骼相比，脊椎比例的控制机制尚不明确。

脊椎骨骼与肢体骨骼有着不同的胚胎起源：脊椎来源于体节，而肢体来源于侧板中胚层。虽然两者都通过内软骨骨化（endochondral ossification）过程伸长，但对肢体骨骼局部生长控制机制的研究较为深入，而对单个椎骨如何建立比例的了解甚少。跳鼠（jerboa）作为双足跳跃的啮齿动物，不仅拥有极端伸长的后肢，还具有与身体比例相比超长的尾巴，是研究骨骼比例极端化的理想模型。

发表在《Nature Communications》上的这项研究，以跳鼠和实验室小鼠为模型，揭示了脊椎比例发育和进化的细胞与遗传机制。研究人员发现，与肢体骨骼类似，细胞数量是驱动脊椎比例的共同因素；但软骨细胞肥大（chondrocyte hypertrophy）这一在肢体骨骼中普遍存在的机制，仅在跳鼠中尾部椎骨中显著发挥作用。通过跨物种转录组学分析，他们发现与差异生长相关的基因在脊椎和肢体中仅有部分重叠，其中利钠肽受体3（Natriuretic Peptide Receptor 3, NPR3）作为一个关键候选基因，在缺失时会导致小鼠近端尾椎和肢体不成比例伸长。

研究团队运用了多种关键技术方法：通过微计算机断层扫描（μCT）对出生后至成熟期（P0-P42）的小鼠和跳鼠进行连续扫描，量化尾椎生长动态；采用钙黄绿素（calcein）和EdU脉冲标记技术，分别测量生长板每日骨沉积速率和细胞增殖指数；利用组织学分析测量生长板各区域高度和细胞大小；通过批量RNA测序（bulk RNA-seq）比较小鼠和跳鼠第1和第6尾椎生长软骨的基因表达差异；并利用Npr3基因敲除小鼠模型验证该基因在脊椎比例调控中的功能。

研究结果通过精心设计的实验逐步展开：

发育中的尾部比例

研究发现，成年跳鼠尾巴标准化长度是小鼠的1.5倍，但椎骨数量却少3-4块。通过每周μCT扫描测量，研究人员发现种间和种内尾椎比例差异并非在体节发生（somitogenesis）或早期软骨形成阶段出现，而是在出生后的内软骨骨化过程中建立。从P7开始，两种物种的中尾部椎骨（TV5-TV8）都开始快速不成比例伸长，TV6变化最为显著，形成“渐强-渐弱”（crescendo-decrescendo）的生长模式。跳鼠的最快速生长期比小鼠延迟一周，与其骨化中心的延迟形成一致。

尾椎伸长的细胞参数

通过聚焦生长差异最大的TV1和TV6椎骨，研究人员发现跳鼠TV6的生长板高度是其他测量的两倍以上。增殖区高度增加并非由于细胞周期加快（Edu标记显示S期细胞比例无显著差异），而是由于更多细胞以相似速率分裂。肥厚区高度也显著增加，特别是在跳鼠TV6中，肥厚软骨细胞大小是其他椎骨的两倍以上，这与肢体骨骼中的发现形成对比。

种间交叉转录组学揭示尾部多样化的候选遗传机制

通过比较小鼠和跳鼠TV1和TV6生长软骨的基因表达，研究发现1864个基因在跳鼠TV6中特异性差异表达，421个基因在两种椎骨中不成比例差异表达。与跳鼠内部TV6与TV1差异表达基因取交集后，获得1454个与快速伸长相关的候选基因。GO富集分析显示这些基因显著富集于软骨发育和骨化相关生物过程。与肢体比例研究数据集的比较发现显著重叠，但80.3%的基因为脊椎特有。Npr3是唯一出现在所有数据集（肢体比例研究和人类体型比例GWAS）中的基因。

受调节的利钠肽信号通路有助于尾椎比例

NPR3作为利钠肽信号的抑制性调节因子，通过配体清除介导降解。研究发现Npr3敲除小鼠在P42时尾部与身体长度比显著增加， proximal和mid-tail椎骨不成比例伸长。组织学分析显示突变体肥厚区高度显著增加，肥厚细胞大小增加约20%。免疫荧光显示NPR3在野生型小鼠和跳鼠的生长软骨中广泛表达，在跳鼠TV6前肥厚软骨细胞中表达更高。

研究结论表明，脊椎的“渐强-渐弱”模式主要由经历内软骨骨化的细胞数量差异驱动，这一机制在鸟类和爬行动物肢体骨骼中也存在。而在跳鼠中，极端的中尾部椎骨伸长还由更大的肥厚软骨细胞放大。利钠肽信号通路通过调节软骨细胞分化和肥大，在脊椎比例控制中发挥关键作用，这与其在肢体发育中的功能相似。

这些发现揭示了脊椎比例调整的细胞过程，同时确定了利钠肽信号通路作为塑造整个骨骼的遗传控制机制之一，为理解骨骼模块性（skeletal modularity）的进化机制奠定了基础，为哺乳动物骨骼多样性的形成提供了新的见解。