脊椎动物胚胎发育中骨骼形成细胞命运趋同的基因调控机制探秘

为探究骨骼形成细胞命运趋同的基因调控机制，研究人员开展相关研究，发现不同转录因子等，为理解脊椎动物骨骼发育提供依据。

　　在神奇的生命演化长河中，动物的细胞类型不断丰富，而脊椎动物的骨骼形成细胞尤为独特。这些细胞依据解剖位置的不同，分别起源于颅神经嵴、体节生骨节和侧板中胚层的体壁这三种不同的前体谱系。它们就像来自不同起点的旅行者，最终却朝着相似的细胞表型汇聚，共同构建起脊椎动物的骨骼系统。

然而，目前关于这些细胞仍存在诸多谜团。比如，不同的骨骼部位在多大程度上依赖真正同源的细胞类型？它们的 “骨骼形成能力” 在不同的进化时间点出现，背后的基因调控机制又是怎样的？为了揭开这些谜团，来自瑞士巴塞尔大学（University of Basel）的研究人员展开了深入的研究。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解脊椎动物骨骼发育的基因调控机制带来了新的曙光。

研究人员运用了多种关键技术方法来探索这些问题。其中，单细胞功能基因组学技术是核心手段之一，包括单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和单细胞染色质可及性检测（scATAC-seq） 。通过对鸡胚胎不同发育阶段的组织进行采样，研究人员获取了大量单细胞的转录组和染色质可及性数据。此外，还运用了原位杂交（ISH）技术来观察基因的表达模式，以及快速免疫沉淀质谱（RIME）技术来研究转录因子的蛋白相互作用。

下面来看看具体的研究结果：

• 不同胚胎起源的骨骼形成细胞具有趋同的转录组特征：研究人员首先通过对鸡胚胎进行 ISH 实验，观察了骨骼形成相关基因 SOX9 和 Aggrecan（ACAN）的表达动态，以此为基础设计了采样策略，利用 scRNA-seq 技术对三个胚胎谱系的细胞进行转录组分析。结果发现，虽然不同胚胎起源的间充质细胞在向骨骼形成细胞转化的过程中存在时间差异，但它们具有趋同的分子特征。通过聚类分析还发现，来自不同胚胎谱系的间充质细胞会聚集在一起，表明它们在转录水平上存在趋同。
• 不同的反式和顺式调控模式是骨骼形成细胞趋同特化的基础：在对具有骨骼形成潜能的间充质细胞亚群进行深入分析时，研究人员发现，尽管不同解剖位置的早期骨骼形成细胞在转录水平上高度相似，但转录因子的表达谱却严格按照胚胎起源进行聚类。这意味着不同的上游反式调控输入（即谱系特异性转录因子表达谱）产生了相似的转录组特征。进一步通过 scATAC-seq 技术研究发现，不同胚胎起源的骨骼形成细胞在染色质可及性上存在差异，尤其是在远端区域，这表明顺式调控元件在其中起到了重要作用。
• 三个胚胎谱系中骨骼形成趋同的反式和顺式调控动态：研究人员沿着软骨形成的伪时间轨迹对 scRNA-seq 和 scATAC-seq 数据进行分析，发现虽然在转录水平上存在软骨形成趋同的现象，即两个软骨形成基因共表达模块（‘IMM’和‘RED’）以及一组核心软骨形成基因的表达均增加，但同时也伴随着谱系特异性转录因子表达和染色质可及性动态变化。这说明在骨骼形成趋同的过程中，不同胚胎谱系的细胞在基因调控上既有共性，又有差异。
• 转录因子结合基序的胚胎起源特异性活动和转录因子 - 蛋白质相互作用谱：研究人员通过自定义转录因子结合基序的 DNA 位置权重矩阵，进行差异基序活性分析，发现软骨形成细胞中存在具有胚胎起源特异性的基序活性，并且同一转录因子在不同胚胎起源的间充质细胞中的结合基序存在差异。通过 RIME 实验对 SOX9 和 FOXP1 进行研究，进一步证实了软骨形成转录因子可以与不同的共调节因子以谱系特异性的方式相互作用，这在分子层面揭示了不同胚胎谱系细胞命运趋同的调控机制。
• 骨骼形成细胞的谱系特异性调控架构以及软骨形成诱导过程中的顺式和反式调控动态：利用 ArchR 对间充质 scATAC-seq 数据进行峰 - 基因链接分析，研究人员发现不同解剖位置的细胞存在谱系特异性的顺式调控元件（CRE），这些元件与重叠的靶基因相互作用。在 SOX9 基因座的研究中，通过体内增强子报告实验证实了这些 CRE 的谱系特异性增强子活性，表明不同胚胎起源的细胞在激活靶基因时依赖于部分谱系特异性的顺式和反式调控动态。

综合研究结果和讨论部分，这项研究具有重要意义。它揭示了脊椎动物胚胎发育中骨骼形成细胞命运趋同的基因调控动态，发现转录因子表达谱和染色质可及性在其中起着关键作用。不同胚胎谱系的骨骼形成细胞虽然在功能和转录上具有相似性，但在基因调控层面存在明显的差异，这使得它们具有独立的进化轨迹，能够成为自然选择的独立目标，进而塑造出脊椎动物骨骼不同部位的独特生物材料和图案特性。该研究为我们理解脊椎动物骨骼的进化和发育提供了深入的见解，也为后续研究细胞类型特异性调控和骨骼相关疾病的机制奠定了重要基础。