动态的转录和表观遗传变化决定了出生后肌腱的生长

《PLOS Genetics》：Dynamic transcriptional and epigenetic changes define postnatal tendon growth

肌肉骨骼系统中，肌腱的发育和成熟在新生儿期至成年期经历显著变化，但其分子调控机制尚不明确。本研究通过整合转录组测序（RNA-seq）和染色质可及性测序（ATAC-seq）技术，系统分析了小鼠出生后0至35天肌腱细胞增殖、表观遗传调控及细胞外基质（ECM）成熟的关键基因和信号通路。发现Wnt、TGF-β和Hippo信号通路在肌腱从增殖向成熟过渡中起核心作用，其中Yap1通过调控胶原蛋白基因（如Col1a1）的表达影响ECM早期形成。条件敲除Yap1的实验显示，该信号通路在P14阶段显著影响肌腱细胞增殖和ECM结构，但对后期机械性能无长期影响。研究揭示了肌腱发育的关键调控网络，为再生医学提供了新靶点。

　　本研究探讨了腱组织在出生后发育过程中基因表达和表观遗传调控的变化，为理解腱组织的形成、成熟及损伤修复提供了重要的分子基础。腱是肌肉骨骼系统中至关重要的结构，负责将肌肉的力传递到骨骼，使身体能够进行各种运动。在出生后，腱组织经历了显著的结构和组成变化，逐渐从一个以细胞为主的组织转变为以细胞外基质（ECM）为主的组织，其特征是ECM的高度有序性和增加的机械强度。然而，尽管这些变化对腱的功能至关重要，我们对于其背后的转录调控和表观遗传调控机制仍知之甚少。本文通过整合基因组学和表观遗传学数据，揭示了腱细胞在发育过程中不同阶段的基因表达模块和染色质可及性变化，并发现了一些潜在的调控因子，特别是Hippo信号通路中的Yap1，它在腱ECM形成早期具有重要作用，但对后期的机械性能和结构影响较小。

在发育过程中，腱细胞的形态和功能发生了显著变化。出生时，腱细胞呈圆形，随后逐渐转变为星形结构，其增殖速率也逐渐下降。与此同时，ECM在长度和直径上显著增长，这种增长改变了腱的生物力学特性，使其能够适应更高的运动需求。然而，这一发育阶段的调控机制尚不明确。为了揭示这些变化背后的分子基础，研究团队采用了高通量测序技术，包括RNA-seq和ATAC-seq，对出生后至成年早期的腱细胞进行分析。通过这些方法，他们识别出多个基因表达模块和染色质可及性变化，揭示了腱组织在不同阶段的调控模式。

研究结果显示，基因表达的变化分为几种类型，包括随时间持续上升、持续下降以及阶段性波动。这些模式反映了腱组织在不同发育阶段的生物学过程。例如，某些基因在早期阶段表现出强烈的表达，而在后期逐渐下降，这可能与细胞增殖和分化有关。此外，一些基因的表达在中期达到高峰，随后维持稳定，这可能与ECM的成熟有关。值得注意的是，某些基因的表达呈现出明显的阶段性变化，如在P0至P14期间显著上升，之后趋于稳定，这可能与腱细胞的分化和组织成熟相关。这些结果表明，腱组织的发育过程是一个动态的、多阶段的调控过程，涉及多个生物学过程和信号通路的协调作用。

表观遗传调控是理解基因表达变化的重要补充。ATAC-seq数据揭示了染色质可及性的动态变化，特别是在非编码区域。许多基因的表达模式与染色质可及性的变化密切相关，这表明这些非编码区域可能包含重要的转录调控元件，如增强子或启动子。通过对这些区域的分析，研究团队发现了一些可能的调控因子，如TEAD家族的转录因子，它们与某些ECM相关基因的表达模式密切相关。此外，研究还发现，某些基因的表达模式与染色质可及性的变化同步，这可能意味着这些基因受到相同的调控机制控制。

进一步的分析表明，Yap1在Hippo信号通路中扮演了关键角色。Yap1是一种转录共激活因子，其表达和活性在出生后早期阶段显著下降，而在后期则趋于稳定。研究团队通过条件性敲除Yap1，发现其对ECM的形成和细胞密度具有显著影响，但对后期的机械性能和结构没有明显影响。这一结果表明，Yap1可能在腱组织的早期发育阶段发挥调控作用，而其功能在后期可能由其他因子如Taz所替代。因此，Yap1的调控作用可能局限于特定的发育阶段，而不是整个发育过程。

研究还发现，Wnt信号通路在腱组织的早期发育阶段起着重要作用。Wnt信号通路不仅参与细胞增殖，还与ECM的形成密切相关。一些基因的表达模式与Wnt信号通路的调控有关，这可能意味着Wnt信号在腱组织的发育过程中具有多方面的功能。此外，TGF-β信号通路也被发现与腱组织的发育相关，特别是在ECM的形成和维持方面。这些信号通路可能共同作用，以协调腱组织的发育过程。

研究团队还对不同基因的功能进行了深入分析，包括与肌肉发育相关的基因。尽管这些基因通常与肌肉细胞有关，但在腱组织中也表现出一定的表达，这可能是因为腱细胞在发育过程中会与肌肉细胞发生融合，或者这些基因在腱组织中具有不同的功能。例如，某些基因的表达模式与肌肉细胞的分化和发育相关，而另一些基因则可能在腱细胞的成熟过程中发挥重要作用。这种现象表明，腱组织的发育可能受到多种信号通路和基因调控的共同影响。

研究的局限性也值得关注。首先，由于腱组织的细胞密度较低，样本的处理和分析存在一定的挑战。尽管研究团队采用了FACS分选技术，以获取特定的腱细胞，但这种方法仍然可能受到细胞异质性的影响。其次，研究中使用的样本数量有限，这可能影响结果的统计效力。尽管如此，研究团队通过严格的筛选标准和数据整合方法，尽可能减少了这些因素对结果的影响。

综上所述，本文通过整合基因组学和表观遗传学数据，揭示了腱组织在出生后发育过程中的基因表达和调控机制。这些发现不仅有助于理解腱组织的形成和成熟，还为未来的腱组织再生和修复研究提供了重要的理论基础。研究团队发现，Hippo信号通路中的Yap1在早期阶段对ECM的形成具有重要影响，而其他信号通路如Wnt和TGF-β可能也在这一过程中起着关键作用。这些结果表明，腱组织的发育是一个复杂的调控过程，涉及多种信号通路和基因的协同作用。未来的研究可以进一步探讨这些信号通路之间的相互作用，以及它们在腱组织损伤修复中的潜在作用。