BD Rhapsody^TM單細胞靶向測序揭示FoxM1調控新型關節(jié)炎相關破骨細胞前體巨噬細胞的形成

破骨細胞（Osteoclasts ）具有獨特骨破壞能力，通過支持骨髓（bone marrow，BM）的骨重塑從而在維持骨骼穩(wěn)態(tài)中起關鍵作用。此外破骨細胞也參與類風濕關節(jié)炎中病理性的關節(jié)炎骨侵蝕，其主要發(fā)生在滑膜侵入關節(jié)骨外表面的地方。但是目前對于BM和滑膜不同組織環(huán)境中破骨細胞的前體狀態(tài)研究并不明確，尚不清楚它們是否源自單核細胞的相同前體狀態(tài)。

2019年11月18日，日本大阪大學Masaru Ishii團隊利用BD Rhapsody?平臺鑒定到一種由FoxM1調控的新型關節(jié)炎相關破骨細胞前體巨噬細胞。其研究成果以“Identification of a novel arthritis-associated osteoclast precursor macrophage regulated by FoxM1”為題發(fā)表于《Nature Immunology》雜志。

下面小編為大家解析一下這篇文章的研究思路。

1.CIA小鼠的炎性滑膜中流式分選出功能性破骨細胞前體細胞AtoMs

研究者對膠原蛋白誘導的關節(jié)炎（CIA）發(fā)作1周的小鼠血液、BM和滑膜細胞進行了流式分選，得到在血液和BM中高表達的CX3CR1^loLy6C^hi細胞和僅在滑膜中存在的CX3CR1^hiLy6C^int 細胞群體，并提出其分化軌跡：血液（R1）中的CX3CR1^loLy6C^hi細胞遷移到滑膜（R2）中，然后原位分化為CX3CR1^hiLy6C^int細胞（R3），揭示關節(jié)炎中的破骨細胞僅起源于循環(huán)的骨髓來源細胞，而不是局部駐留的巨噬細胞。

此外，研究者還證明了完全分化的R3——CX3CR1^hiLy6C^intF4/80^hi細胞（R3’）在發(fā)炎的滑膜中含有功能性破骨細胞前體細胞，與穩(wěn)態(tài)骨重塑中常規(guī)破骨細胞前體不同，并將其定義為AtoMs（關節(jié)炎相關的破骨細胞巨噬細胞）（圖1）。

圖1 炎性滑膜中AtoMs具有較高的破骨細胞分化潛能

2. RNA-Seq分析鑒定FoxM1是R3 ’細胞的關鍵調控因子之一

通過RNA-Seq對R1、R2 ’ 、R3’細胞進行分析表明，R3'細胞優(yōu)先表達破骨細胞標記基因（Ctsk，Acp5，Mmp9，Atp6v0d2和Ppargc1b），基因集富集分析（GSEA）顯示R3’細胞中與破骨細胞分化、線粒體翻譯和氧化磷酸化相關的基因表達量增加。通過對R3’進行全局mRNA表達譜分析發(fā)現FoxM1是R3’細胞的關鍵調控因子，并通過體內、體外實驗驗證FoxM1的缺失會顯著抑制破骨細胞生成并減輕關節(jié)處的骨侵蝕（圖2）。

圖2 RNA-Seq鑒定FoxM1是R3 ’細胞的關鍵調控因子之一

3. BD Rhapsody?單細胞靶向測序鑒定出有破骨細胞表型的新細胞亞群

研究人員從CIA小鼠滑膜中分離出8682個R3細胞，使用BD Rhapsody?單細胞多組學平臺，定制BD小鼠免疫應答panel（包括Acp5、Ctsk、Atp6v0d2、Foxm1、Itgb3、Nfatc1在內的404個關聯(lián)基因）進行單細胞靶向測序（Targeted single-cell RNA-Seq）。成功構建文庫后，在Illumina HiSeq 3000平臺進行測序，分析特異性表達鑒定新型細胞亞群[i1] P1表現出破骨細胞表型。如圖3所示，相比較其他簇優(yōu)先表達趨化因子受體和炎性細胞因子，P1細胞群體優(yōu)先表達包括Foxm1在內的破骨細胞相關基因。

圖3 CIA小鼠滑膜R3細胞的單細胞靶向測序分析

4. 類風濕性關節(jié)炎患者的滑膜中得到較高形成破骨細胞潛能的細胞類群

最后，使用CX3CR1和HLA-DR等破骨細胞標志基因來鑒定人類類風濕性關節(jié)炎患者的血液、滑液和滑膜組織中具有高破骨細胞潛力的細胞亞群。圖4所示，從滑膜組織樣本中得到CX3CR1 ⁺ HLA-DR^hiCD11c ⁺ CD86 ⁺細胞群體（對應小鼠AtoMs）具有很高的破骨細胞形成和Foxm1表達的潛力。FoxM1抑制劑thiostrepton抑制了人類破骨細胞形成，從而揭示了類風濕關節(jié)炎治療的潛在靶標。

圖4 類風濕性關節(jié)炎患者滑膜中CX3CR1+HLA-DRhiCD11c+CD86+細胞具有較高的形成破骨細胞潛能

原文鏈接；https://doi.org/10.1038/s41590-019-0526-7