小鼠肢体骨骼单细胞图谱：整合发育与成年阶段的跨时空解析

本研究通过整合10个小鼠肢体骨骼scRNA-seq数据集（133,332个细胞），构建了首个涵盖从肢体诱导到成骨全过程的单细胞图谱（LSCA），揭示了39种细胞类型的动态特征。团队运用scANVI算法实现跨数据集整合，通过CellPhoneDB解析BMP/Shh信号通路，利用Monocle3重构生长板伪时空发育轨迹，并结合CellOracle模拟Sox9基因敲除效应。该研究填补了骨骼系统在生物图谱中的空白，为骨骼发育、代谢疾病和再生医学研究提供了重要资源。

　　

骨骼作为脊椎动物的核心支撑结构，不仅承担机械保护功能，更是造血微环境的关键组成和代谢调节的重要器官。然而在单细胞组学时代，骨骼系统却成为生物图谱中的"盲区"——现有的大型单细胞图谱项目如Tabula Muris和Human Cell Atlas中，骨骼细胞的注释精度和覆盖度显著不足。这种知识缺口严重制约了人们对骨骼发育调控、病理机制和再生修复的理解。来自比利时鲁汶大学等机构的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究，通过整合跨发育阶段的单细胞数据，构建了首个小鼠肢体骨骼全生命周期细胞图谱。

研究团队采用四大关键技术：1）整合10个公共scRNA-seq数据集（E10.5至16周龄）；2）运用scIB评估体系筛选最优整合方案（scANVI算法）；3）通过CellPhoneDB解析细胞间通讯网络；4）结合Monocle3伪时间分析和CellOracle基因扰动模拟。样本涵盖前/后肢、股骨、胫骨等不同解剖部位，包含野生型C57BL/6和转基因小鼠模型。

【Dataset annotation and integration】部分显示，通过scANVI整合的133,332个细胞被划分为39个亚群，包括26个间充质谱系（从肢芽间充质到成熟骨细胞）、4个肌源性谱系及其他非间充质群体。研究创新性地利用Hoxd9-13基因表达梯度重建了肢芽近远轴空间信息，并通过标志基因验证了顶端外胚层脊（AER）和极化活性区（ZPA）等关键发育结构的细胞身份。

【Intercellular communication】章节揭示了BMP信号传递的精细调控机制：AER通过Bmp4/7-Bmpr1a复合体主导肢芽间充质信号传导，而Shh信号则局限于中间肢芽间充质与软骨祖细胞之间。这种时空特异的信号模式为理解肢体形态发生提供了新视角。

【Virtual reconstruction】部分通过伪时间分析重构生长板发育轨迹：将细胞按分化状态（静息→增殖→肥大软骨细胞）分箱后，采用圆形边界条件的t-SNE降维，首次在单细胞层面再现了生长板的柱状空间结构。这种创新性算法为无空间转录组数据的组织结构重建提供了范例。

【Knockout simulation】展示了图谱的预测价值：通过CellOracle模拟Sox9敲除，准确预测了软骨分化阻滞表型——前肥大软骨细胞（细胞类型11）成为不可达状态，而肥大软骨细胞（细胞类型12）因前体缺失而消失。这与Haseeb等人报道的体内实验结果高度一致，证实了图谱在基因功能研究中的可靠性。

讨论部分强调，LSCA填补了骨骼系统在参考图谱中的关键空白，其价值体现在三个维度：1）技术层面，建立了跨实验室数据的标准化整合流程；2）生物学层面，揭示了BMP信号在AER自主调控中的主导作用；3）应用层面，为基因功能研究和疾病建模提供了可扩展的计算框架。特别值得注意的是，研究创建的交互式网络门户（http://www.skeletalcellatlas.org）将持续更新，未来可整合人类骨骼数据实现跨物种比较。这项工作由Tim Herpelinck和Liesbeth Ory共同主导，Przemko Tylzanowski与Liesbet Geris担任共同通讯作者，为发育生物学和再生医学研究提供了不可或缺的基础资源。