单细胞解析人类纤维性骨发育不良的转录组特征：揭示GNAS变异在血管内皮、周细胞及间质细胞中的广泛分布与促纤维化机制

本研究针对纤维性骨发育不良(FD)这一由GNAS基因体细胞嵌合变异导致的难治性骨骼疾病，通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)结合单细胞GNAS基因分型技术，首次系统描绘了人类FD骨病变的细胞图谱。研究发现GNAS c.602G>A (p.Arg201His)和c.601C>T (p.Arg201Cys)变异不仅存在于成骨系细胞，还广泛分布于血管内皮细胞和周细胞，并鉴定出FD特异性成骨细胞亚群。研究揭示了跨细胞谱系的纤维化转录特征，为理解GNAS变异通过细胞自主与非自主机制驱动FD病理提供了新视角，对骨骼疾病治疗策略开发具有重要启示。

骨骼系统的发育和稳态维持依赖于精细的分子调控网络，其中G蛋白偶联受体(GPCR)信号通路扮演着核心角色。纤维性骨发育不良(Fibrous Dysplasia, FD)作为Gs-GPCR通路过度激活的典型疾病，由GNAS基因的体细胞嵌合变异引起，表现为骨骼纤维化病变和异常骨重塑。尽管既往研究建立了GNAS变异与FD的因果关系，但人类病变组织中变异细胞的具体分布、异质性及其微环境调控机制仍是未解之谜。传统观点认为GNAS变异仅局限于间充质干细胞(MSC)或成骨系细胞，这一认知主要源于小鼠模型研究，而人类FD病变的真实细胞组成和分子特征亟待阐明。

为突破这一瓶颈，Kelly L. Wentworth团队在《美国人类遗传学杂志》(AJHG)发表了开创性研究。研究人员收集了4例FD患者手术切除的骨病变组织和4例骨关节炎患者的正常(WT)对照骨组织，通过机械-酶解法分离CD45^-非造血细胞，运用10x Genomics单细胞转录组测序技术构建细胞图谱。创新性地开发了单细胞GNAS基因分型策略，通过靶向PCR扩增跨越变异位点的转录本，实现对GNAS c.602G>A (p.Arg201His)和c.601C>T (p.Arg201Cys)的单细胞分辨率检测。同时采用BaseScope RNA原位杂交技术对关键发现进行空间验证，结合Ingenuity Pathway Analysis(IPA)进行通路富集分析。

研究结果部分呈现了多层次发现：

FD骨病变包含间质、内皮和周细胞谱系

单细胞转录组分析鉴定出11个细胞簇，包含间质细胞(COL1A1⁺)、内皮细胞(PECAM1⁺/VWF⁺)和周细胞(ACTA2⁺/RGS5⁺)三大类群。内皮细胞可进一步区分为静脉型(ACKR1⁺)和动脉型(CXCL12⁺)，而间质细胞则表现出显著的异质性。

FD骨病变表达不同于WT骨的转录组特征

差异基因表达分析显示FD细胞普遍上调纤维化相关基因，包括ECM成分(COL3A1、FN1)和促纤维化因子(TGFβ1、INHBA)。通路分析揭示Wnt/Ca²⁺、RHO GTPase和IL-13信号通路激活，而经典Wnt/β-catenin通路虽未达显著阈值，但其下游转录因子TCF7L2被预测激活。

FD骨存在异常的成纤维细胞组成和FD特异性成骨细胞簇

间质细胞亚群分析发现六个成纤维细胞亚群，其中亚群5为FD特有，高表达成熟成骨标记(IBSP、BGLAP)与纤维化标记(COL3A1)。值得注意的是，PRG4⁺成纤维细胞亚群仅存在于WT样本，提示FD中特定基质细胞群的缺失。

GNAS变异转录本在间质、内皮和周细胞谱系中表达

单细胞基因分型突破性地发现GNAS变异不仅存在于成骨系细胞，还分布于内皮细胞(PECAM1⁺)和周细胞(MYH11⁺)，BaseScope原位杂交证实了这一发现。样本间变异负荷差异显著(FD16达99%，FD21仅5.8%)，反映了FD的天然嵌合特性。

GNAS变异通过细胞和非细胞自主机制影响FD骨

比较GNAS变异与野生型细胞的转录组发现，尽管RHO GTPase等通路在变异细胞中特异性激活，但整体转录谱高度相似。值得注意的是，FD病变中野生型细胞同样呈现纤维化特征，提示变异细胞可能通过旁分泌机制重塑微环境。

这项研究从根本上改变了人们对FD发病机制的理解：GNAS变异细胞的分布范围远超传统认知，涉及多种非成骨系细胞；病变微环境呈现跨谱系的纤维化转录特征；变异负荷与转录改变呈非简单线性关系。这些发现为FD的精准治疗提供了新靶点，特别是针对血管周细胞和异常ECM沉积的干预策略。此外，建立的人类FD单细胞图谱将成为骨骼生物学研究的宝贵资源，而开发的单细胞基因分型方法为其他嵌合性疾病研究提供了技术范式。研究结果也提示，Gs-GPCR信号在骨骼血管系统中的功能值得深入探索，可能对骨质疏松等常见骨病的治疗具有更广泛的启示意义。