《International Journal of Oral Science》：Spatial multi-omics of mouse incisor mesenchyme reveals metabolic remodeling during the MSC-to-TAC transition
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持续生长的小鼠切牙为研究干细胞龛组织结构以及间充质干细胞（MSC）向瞬时扩增细胞（TAC）的转变提供了一个有用的模型，因为它包含空间上不同的富含间充质干/基质细胞（MSC）和富含瞬时扩增细胞（TAC）的区域，并且具有丰富的TAC群体。然而，在天然组织环境中，与
持续生长的小鼠切牙为研究干细胞龛组织结构以及间充质干细胞（MSC）向瞬时扩增细胞（TAC）的转变提供了一个有用的模型，因为它包含空间上不同的富含间充质干/基质细胞（MSC）和富含瞬时扩增细胞（TAC）的区域，并且具有丰富的TAC群体。然而，在天然组织环境中，与MSCs及其向TACs转变相关的代谢程序仍然知之甚少。在此，研究人员整合了区域分辨的转录组学、蛋白质组学和代谢组学以及单细胞RNA测序，来表征小鼠切牙牙髓中与MSC向TAC转变相关的代谢重塑。研究人员发现，富含MSC的顶端牙髓富含与脂肪酸β-氧化和酮体代谢相关的分子特征，而富含TAC的有丝分裂期牙髓则显示出与三羧酸（TCA）循环、氧化磷酸化（OXPHOS）和核苷酸生物合成相关的分子特征。整合的转录组和蛋白质组分析显示，在富含MSC的顶端牙髓中mRNA-蛋白质一致性较低，这与转录后调控的贡献一致，而富含TAC的有丝分裂期牙髓则显示出更紧密的mRNA-蛋白质偶联。代谢物谱进一步显示，在富含MSC的顶端牙髓中酰基肉碱和酮体的丰度较高，而在富含TAC的有丝分裂期牙髓中谷氨酰胺、天冬氨酸和嘌呤中间体的丰度较高。拟时序分析提示，在MSC向TAC的轨迹上，与脂肪酸氧化、线粒体氧化代谢和核苷酸合成相关的转录程序发生了协调变化。总的来说，这项研究建立了与小鼠切牙中MSC向TAC转变相关的代谢重塑的区域分辨多组学图谱，并为理解天然牙科干细胞龛中与干细胞激活、祖细胞扩增和组织稳态相关的代谢特征提供了见解。
论文解读文章
一、研究背景与问题
组织稳态依赖于成体干细胞龛中静息干细胞与其增殖性后代之间的精细平衡。代谢编程日益被认为是干细胞静息、激活、增殖和分化的关键调控因素。代谢转变不仅仅是细胞状态变化的被动结果，更能主动驱动细胞命运决定。然而，尽管在牙髓干细胞（DPSCs）中，代谢重塑（尤其是线粒体呼吸和氧化磷酸化，OXPHOS）已被证明与分化潜能和Wnt信号依赖的命运调控相关，但在天然切牙龛中，与MSC和TAC状态相关的代谢特征仍缺乏清晰定义。MSC富集区与TAC富集区之间的代谢通路如何重塑，以及这种重塑如何分别支持干细胞维持与快速祖细胞扩增，在很大程度上仍是未知的。
此前对小鼠切牙系统的研究多聚焦于细胞鉴定、谱系示踪、龛信号传导和细胞间通讯。单细胞转录组图谱虽揭示了MSCs和TACs中的细胞异质性和不同基因表达程序，但缺乏代谢和蛋白质组层面的深度。关键在于，此前尚未实现整合转录组、蛋白质组、代谢组和单细胞轨迹信息的、跨越MSC富集顶端和TAC富集有丝分裂区的区域分辨多组学分析。这一空白限制了对干细胞驱动组织生长过程中代谢状态与空间身份、层级进展和线粒体变化之间关联的理解。因此，该研究旨在通过建立区域分辨的多组学平台，系统解析MSC向TAC转变过程中的代谢重塑。
二、研究内容与结论
该研究建立了一个区域分辨的多组学框架，以表征持续生长的小鼠切牙中MSC向TAC的转变。该框架整合了转录组学、蛋白质组学、非靶向代谢组学分析以及单细胞RNA测序。研究发现，富含MSC的顶端牙髓显示出与脂质和酮体代谢相关的分子特征，而富含TAC的有丝分裂期牙髓则显示出与线粒体氧化代谢和核苷酸代谢相关的特征。研究结论为理解切牙稳态期间与MSC向TAC转变相关的代谢重塑提供了区域分辨的多组学资源。该研究论文发表在《International Journal of Oral Science》。
三、主要关键技术方法
研究人员利用荧光立体显微镜引导的显微解剖获取顶端和分裂期牙髓样本，分别进行 bulk RNA-seq 和非靶向代谢组学分析；利用激光显微切割（LMD）技术从新鲜冷冻组织切片中获取区域特异性样本进行蛋白质组学分析；并制备野生型小鼠切牙单细胞悬液进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），以提供MSC和TAC群体的细胞类型分辨转录信息。此外，还利用Smoc2-mScarlet标记和Ki67免疫荧光染色来界定MSC富集和TAC富集区域。研究还结合了已发表的两个切牙scRNA-seq数据集进行整合分析，并利用Smoc2-CreERT2小鼠模型通过尾静脉AAV递送进行体内线粒体网络标记，结合结构光照明显微镜（SIM）进行线粒体形态分析。
四、研究结果
区域分辨的bulk RNA测序揭示MSC富集顶端和TAC富集有丝分裂牙髓之间独特的代谢相关转录程序： 通过无监督聚类和GO富集分析，发现富集于MSC顶端牙髓的基因模块与脂质转运、鞘脂代谢、酮体生物合成等通路相关；而富集于TAC有丝分裂牙髓的基因模块与丙酮酸代谢、活性氧代谢、一碳代谢等通路相关。代表性基因如Hmgcs2、Bdh2等在顶端牙髓高表达，而Cox5a、Atp5a、Sdhb等OXPHOS相关基因及核苷酸代谢基因在有丝分裂牙髓高表达。GSEA进一步证实了脂质和酮体代谢基因集在顶端牙髓富集，而TCA循环、OXPHOS和核苷酸代谢基因集在有丝分裂牙髓富集。
区域分辨蛋白质组学揭示MSC富集顶端和TAC富集有丝分裂牙髓中独特的代谢相关蛋白特征： 通过LMD结合DIA LC-MS/MS的蛋白质组学分析，发现顶端牙髓富集的蛋白与脂肪酸代谢、花生四烯酸代谢、生酮作用等相关；有丝分裂牙髓富集的蛋白与线粒体基质和内膜组分、ATP代谢、丙酮酸代谢、核苷酸生物合成等相关。代表性蛋白如HMGCS2、ACOT7在顶端牙髓高丰度，而CAD、IMPDH2、CTPS1在有丝分裂牙髓高丰度。沿丙酮酸脱氢酶-TCA循环轴，PDHA1、PDHB、CS等蛋白在有丝分裂牙髓中丰度更高。呼吸链复合物I、III、IV和V的多个亚基在有丝分裂牙髓中富集。
整合区域分辨转录组-蛋白质组分析揭示MSC富集顶端和TAC富集有丝分裂牙髓中独特的线粒体代谢相关分子特征： 整合分析显示，线粒体分子整体mRNA-蛋白质相关性中等，其中MSC富集顶端牙髓的相关性较低，而TAC富集有丝分裂牙髓的相关性较高。底物利用模块分析显示，顶端牙髓富集生酮相关分子，而有丝分裂牙髓富集丙酮酸氧化、脂肪酸导入和β-氧化及酮体利用相关蛋白。线粒体氧化代谢模块显示，有丝分裂牙髓中TCA循环酶和OXPHOS亚基（包括核编码和线粒体编码）的蛋白丰度更高。稳态适应模块显示，有丝分裂牙髓中线粒体融合、分裂、线粒体自噬、蛋白稳态和氧化还原调控相关蛋白丰度更高。体内标记和SIM成像定量分析显示，TAC富集有丝分裂牙髓中线粒体分支长度更短、网络更碎片化。
区域分辨代谢组学揭示MSC富集顶端和TAC富集有丝分裂牙髓中独特的稳态代谢特征： 非靶向代谢组学分析检测到6640个代谢特征。顶端牙髓中富集的代谢物与脂肪酸代谢、脂肪酸延伸、脂肪酸生物合成和β-氧化相关通路有关，包括多种脂肪酸、酰基肉碱、羟基酰基肉碱和酮体3-羟基丁酸。有丝分裂牙髓中富集的代谢物与嘌呤代谢、嘧啶代谢、天冬氨酸代谢、蛋氨酸代谢等通路相关，包括谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸、多种嘌呤和嘧啶相关代谢物。
单细胞RNA测序揭示MSC向TAC转变过程中的转录代谢重塑： 对scRNA-seq数据的分析鉴定出不同的Smoc2+ MSCs和Mki67+ TACs。GSEA显示MSCs富集脂肪酸β-氧化、脂质代谢和酮体相关通路，而TACs富集核苷酸代谢、TCA循环和线粒体翻译相关通路。拟时序分析推断出从MSC状态到TAC状态的连续轨迹。沿此轨迹，脂肪酸氧化模块评分下降，而TCA循环、OXPHOS和核苷酸代谢模块评分上升。代表性基因Hmgcs2在MSC群体中优先表达，其表达沿轨迹下降。免疫荧光验证了HMGCS2蛋白在MSC富集顶端牙髓中的空间富集。与已发表数据集的整合分析进一步证实了这些代谢相关的转录差异。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，该区域分辨多组学策略成功地将转录组、蛋白质组、代谢组和单细胞转录信息与相应的MSC和TAC富集区域联系起来，减少了全牙髓分析带来的空间模糊性。整合分析揭示了MSC富集区域与脂质代谢、脂肪酸氧化和酮体代谢相关的协调分子特征，这与相对低生物合成的维持相关状态一致。相比之下，TAC富集区域显示出与线粒体氧化代谢和生物合成通路相关的特征，包括丙酮酸氧化、TCA循环、OXPHOS以及天冬氨酸利用、一碳代谢和嘌呤/嘧啶生物合成，这与增殖状态的能量和生物合成需求一致。研究强调，MSC向TAC转变过程中的代谢重塑并非简单的代谢普遍上调，而是代谢谱的转变。HMGCS2作为生酮关键酶，在多组学水平和空间上均与MSC富集状态一致相关，被确定为一个与MSC富集区域代谢状态相关的候选分子，但其功能作用仍需未来扰动实验验证。此外，研究还揭示了MSC富集和TAC富集区域在线粒体蛋白和结构水平上的差异，这些差异并未完全反映在转录组谱中，提示转录后、翻译及蛋白水平调控可能参与线粒体代谢重塑。
研究结论部分可翻译为：这项研究建立了与小鼠切牙中MSC向TAC转变相关的代谢重塑的区域分辨多组学图谱，并为了解天然牙科干细胞龛中与干细胞激活、祖细胞扩增和组织稳态相关的代谢特征提供了见解。
