Science | 「呦呦鳴鹿」——發現鹿角再生幹細胞群，為理解哺乳動物再生提供全新認知

哺乳動物（包括人類）的器官和附肢如何實現再生，對於組織器官損傷修復和對抗器官衰老具有重要意義。長久以來，科學家一直試圖從再生能力極強的低等脊椎動物（斑馬魚和蠑螈等）中尋找答案。然而，蠑螈等物種與人類親緣關係較遠，嚴重限制了其研究成果向臨床醫學領域的轉化。鹿角作為哺乳動物中唯一能在自然情況下週期性完全再生的器官，在醫學轉化研究中具有獨特價值。以往針對鹿角再生的研究多集中在組織學及形態學層面，因此，對鹿角這一絕好的哺乳動物器官再生模型一直缺乏系統的分子遺傳和細胞分化機制解析，從而也制約了其相關醫學轉化的開展。

2023年2月24日，Science雜誌線上發表了西北工業大學生態環境學院邱強和王文教授團隊、空軍軍醫大學西京醫院黃景輝教授團隊、長春科技學院李春義教授團隊與吉林農業大學李志鵬教授團隊等國內外多家單位共同完成的題為A population of stem cells with strong regenerative potential discovered in deer antlers的論文。該研究首次在鹿角中發現、鑑定並分離了一群具有強大骨再生潛能的幹細胞群，在骨再生和骨損傷修復中具有重要的轉化研究潛值。

為了理解鹿角再生的細胞和分子機制，研究人員收集了鹿角再生連續8個階段的樣本，建立鹿角再生發育的細胞圖譜，包括：間質細胞（PMCs）、成纖維細胞、軟骨細胞、成骨細胞、免疫細胞、內皮細胞和血管周細胞等，基於偽時序分析，作者發現一個間質細胞類群，在鹿角再生中發揮重要作用。

為詳細探究鹿角再生過程中細胞圖譜的動態變化，作者對細胞類型進行更為細緻的劃分，分為19個亞群。在鹿角脫落前和再生0天時，再生組織主要由3類間質細胞組成（PMC1，PMC2，PMC3）。再生5天時，細胞異質性明顯增加，出現了第四個間質細胞類群，即PMC4細胞群。在裸鼠異位生茸模型中，移植再生0天鹿茸組織最終形成的組織以成纖維細胞為主；而移植再生5天鹿茸組織後，裸鼠在45天后形成了類似鹿角的組織（骨和軟骨組織），進一步實驗證實再生的骨和軟骨來自於移植組織而非裸鼠本身。作者進一步發現PMC4特異高表達TNN，TNC，PTN，DLX5等再生相關基因，偽時序分析證實PMC4可以向下分化為成軟骨細胞和軟骨細胞，推斷PMC4是鹿角骨再生的關鍵細胞群。

作者將再生5天組織定義為「鹿角再生芽基」，將PMC4細胞群定義為‘鹿角芽基祖細胞’（antler blastema progenitor cells, ABPCs）。為了探究ABPCs的進化特徵，作者收集了可再生的小鼠指尖，不可再生的小鼠指尖，蠑螈四肢和斑馬魚尾鰭的再生芽基單細胞轉錄組資料，並與鹿角再生芽基資料進行整合分析。結果發現可再生的小鼠指尖芽基中存在類似於ABPCs的細胞群，而其它芽基中不存在這群細胞，提示ABPCs可能是哺乳動物附肢再生中發揮重要作用的細胞群，並且與其它非哺乳動物的再生機制不同。

作者進一步利用表面特徵標誌物（FGFR2和CX43）將ABPCs從鹿角再生5天組織中分離以研究其特性，發現ABPCs相較於骨髓間充質幹細胞（BMSCs）具有更強的自我更新能力，以及更顯著的成軟骨和成骨的能力。作者進一步在裸鼠腎囊膜下異位成骨模型以及兔子骨缺損修復模型中，發現ABPCs具有顯著優於BMSCs的骨骼修復能力，為骨骼再生醫學研究提供了一類新的幹細胞類群。

為了進一步研究鹿角快速生長機制，作者對鹿角快速生長階段生長中心的5個組織層進行單細胞轉錄組測序以及Bulk轉錄組測序，揭示了鹿角快速生長的細胞和分子機制。發現ABPCs位於鹿角的尖部，提供了鹿角持續生長的幹細胞池。通過與小鼠胚胎骨骼發育單細胞資料的比較，作者鑑定出了151個與骨骼發育相關的保守基因，涉及MAPK，BMP和TGFβ等信號通路。