骨髓微环境的衰老机制研究

Hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal, differentiation and aging are not only regulated by cell intrinsic factors, but also by cell extrinsic factors and bone marrow microenvironment. Recent studies showed that bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) are the key components of the HSC microenvironment and the key sources of hematopoietic and osteogenic growth factors. However, since BMSCs are highly heterogeneous, different sub-populations share distinct cell surface markers and growth factors. In addition, the dynamic change of BMSC subpopulations during aging and its relationship with decreased hematopoietic and osteogenic functions are poorly understood. Here we propose to study the lineage hierarchy of BMSCs by single cell RNA-sequencing technology in order to clarify different subpopulations within BMSCs and their dynamic changes during aging, as well as to discover novel hematopoietic and osteogenic growth factors. Furthermore, we will explore new strategies to maintain and expand HSCs, or to promote osteogenic differentiation of BMSCs, by using these novel growth factors, to help prevent the aging or degeneration of the hematopoietic and skeletal system.

造血干细胞的自我更新、定向分化与衰老不仅受到细胞内因子的调控，而且受到细胞外因子及其微环境的影响。最近的研究发现，骨髓间充质干细胞不仅是造血干细胞微环境的重要组成部分，而且是血液与骨骼生长因子的重要来源。然而骨髓间充质干细胞是一群高异质性细胞，人们对其中不同亚群的分化潜能、细胞表面标志物和生长因子知之甚少。此外，机体衰老过程中骨髓间充质干细胞内各细胞亚群的动态变化及其与造血和成骨功能衰退的关系也不明确。本项目旨在将通过单细胞RNA测序技术对骨髓间充质干细胞进行系统的谱系层级划分，明确其中不同发育潜能细胞亚群种类及其在衰老过程中的动态变化，并从中发现新颖的血液与骨骼生长因子。在此基础上，我们将探索如何利用这些因子促进造血干细胞体干性维持、扩增或者骨髓间充质干细胞成骨分化，从而为延缓血液与骨骼系统的衰老与退行性变化提供理论支持和临床转化依据。

骨髓间充质干细胞（BMSC）不仅维持骨骼动态更新，而且营造了成体造血微环境，因而在骨骼和血液系统的发育和衰老过程中发挥了至关重要的作用。本项目通过单细胞RNA测序技术（scRNA-seq）对年轻、年老以及多种应激状态下的小鼠BMSC进行异质性分析和谱系层级划分，明确了其中不同发育潜能细胞亚群种类及其在衰老过程中的动态变化。此外，我们还在BMSC和成骨细胞中发现成纤维细胞激活蛋白（Fap）是一个重要的成骨抑制因子，通过遗传学和药理学抑制Fap均能促进骨量。更为重要的是，Fap小分子抑制剂能够同时促进骨生成、抑制骨吸收，从而显著减缓因雌激素缺乏而导致的骨质疏松，提示Fap可以作为新颖的骨质疏松药物靶点。最后，我们还利用scRNA-seq绘制了早期人类胚胎肢芽、长骨和颅骨的发育图谱，并结合体内外功能验证发现了一群定位于软骨外膜，具有自我更新和分化为软骨与成骨细胞潜能的骨骼干祖细胞。作为国际上首次针对早期人类胚胎骨骼干细胞起源和异质性的研究，对于深入理解人类骨骼发育、衰老及损伤修复机制具有重要意义。在项目执行过程中，项目主持人以通讯作者或共同通讯作者在Cell Research（IF=20.507）和Cell Reports（IF=8.109）发表SCI论文2篇，受邀撰写综述1篇，2019年接受Cell Stem Cell杂志专访，2020年获得国家自然科学基金委面上项目1项。