近日，中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所邹卫国研究组联合中山大学肿瘤防治中心康铁邦课题组在The Journal of Clinical Investigation上发表了题为Lkb1 deletion in periosteal mesenchymal progenitors induces osteogenic tumors through mTORC1 activation的文章。文章鉴定了一类新的骨膜来源的中胚层间质前体细胞。肿瘤抑制基因LKB1在这群细胞中敲除能诱导小鼠自发性形成类似人骨肉瘤的表型。这个工作鉴定了新的骨膜来源的成骨前体细胞，对骨肉瘤的肿瘤细胞来源和分子调控机制提供了进一步认识，为骨肉瘤细胞分型和靶向治疗提供了新的思路和研究基础。

骨骼的发育和稳态由复杂的细胞谱系和调节网络紧密控制。这些细胞的命运和调控机制的异常也与癌症的发生和进展密切相关。由造血干细胞分化而来的破骨细胞和由间充质干细胞分化而来的成骨细胞分别负责骨的吸收和骨的形成，二者共同维持了骨的稳态。一直以来，组织蛋白酶KCathepsin K(Ctsk)被认为是破骨细胞特异性表达的基因，在Ctsk阳性细胞中敲除肿瘤抑制因子LKB1以后，组织学分析发现敲除小鼠具有类似人类骨肉瘤的表现(下图)，而LKB1在另一破骨前体细胞(LysM-cre)中条件性敲除，并不会导致肿瘤的发生。

图一 在Ctsk阳性细胞中特异性敲除LKB1导致小鼠出现类骨肉瘤的表型

结合谱系示踪技术和干细胞分离和鉴定实验，研究人员证明了Ctsk阳性的骨膜细胞具有成骨前体细胞的特性。文章与2018年发表的Nature^[1]文章一起，独立证明了Ctsk能标记骨膜中的成骨前体细胞或干细胞(下图)。

图二 骨膜处Ctsk阳性细胞表达成骨细胞标志性基因

细胞或前体细胞的增殖或者分化发生异常时可能导致机体器官发育异常，甚至肿瘤的发生。通过体内示踪，体外细胞培养和异体移植实验，作者发现LKB1缺失的Ctsk阳性细胞大量扩增，并向成骨细胞分化的能力增强，敲除LKB1以后Ctsk阳性的成骨前体细胞形成类似骨肉瘤的表型。mTORC1通路作为LKB1的经典下游，在LKB1条敲小鼠中显著激活，作者通过LKB1和mTORC1复合物核心因子Raptor双敲小鼠的表型分析，以及给予LKB1条敲小鼠注射mTORC1抑制剂Rapamycin后表型分析，发现抑制mTORC1通路可以减缓LKB1条敲小鼠的成骨速率和肿瘤形成速度。有意思的是，之前研究的发现在Ctsk阳性细胞中敲除Ptpn11会导致Hh通路激活，进而导致软骨型肿瘤的发生^[2]；而在LKB1敲除以后导致mTORC1通路的上调则促进成骨性肿瘤的发生。二者的研究共同提示Ctsk阳性细胞可能作为骨膜来源的一种肿瘤干细胞，在不同的分子和信号途径影响下，向不同的方向分化。

图三 Ctsk阳性细胞中不同通路的激活导致不同的肿瘤

据悉，邹卫国研究员和康铁邦教授为该论文共同通讯作者。邹卫国课题组博士生韩玉娇为该论文第一作者。

专家点评

许韧(厦门大学医学院教授，“闽江学者”，南强青年拔尖A类人才，长期从事骨生理学相关研究)

组织特异性干细胞的功能一直以来都是发育生物学的核心内容；其生物学功能与原发肿瘤之间的关联也是肿瘤发生学中的重中之重。近期，中科院生化细胞所邹卫国研究团队联合中山大学肿瘤防治中心-康铁邦教授课题组，聚焦于mTORC1通路中LKB1这一调控激酶，就成骨性原发肉瘤的分子发生机制，在The Journal of Clinical Investigation杂志上发表了一项突破性的工作。该项研究利用多种条件敲除小鼠作为生理和病理模型，清晰地证明了LKB1在类骨肉瘤发生中的负调控功能；运用谱系追踪和细胞移植手法肯定了骨膜来源Cathepsin K(CTSK)阳性细胞的膜内成骨特性，在敲除LKB1以后该类细胞具有形成骨肉瘤的潜能；并进一步融合基因敲除和药理模型论证了靶向mTORC1通路作为治疗骨肉瘤新手段的潜能。该项工作是骨肉瘤领域里面一个极为有意思的发现，首次论证了骨骼干细胞功能与骨肉瘤发生之间的分子关联，为骨肉瘤的细胞分子分型和今后的精准化治疗提供了有力的理论指导。并且该项研究也开启了骨骼干细胞研究的“魔盒”，是国内骨骼干细胞研究的开山之作。

长久以来，CTSK一直被骨研究学者们定义为成熟破骨细胞的经典标记。2013 年，美国布朗大学的杨文天教授首次在Nature上发文，阐述了CTSK也可以标记关节软骨外膜旁兰氏凹槽处的骨膜细胞，在Ptpn11的缺失下，该类细胞具有形成巨大软骨瘤的潜能^[3]。去年2018年10月，美国康奈尔大学-Matthew Greenblatt课题组在此工作的基础上，运用单细胞测序和干细胞移植等手法肯定了CTSK的确可以标记长骨骨膜和颅骨骨缝处的骨骼干细胞^[4]。邹卫国研究员和康铁邦教授的这项工作不仅与Matthew Greenblatt课题组先后不但完美独立论证了非破骨细胞来源CTSK阳性细胞的成骨“干”性验证了此前CTSK的成骨生物学功能，同时还并开创性地将干细胞前体细胞的命运归属和肿瘤生物学有机结合起来，特别值得我们借鉴和学习。

有意思的是运用Prrx1Cre(肢端间质干细胞)工具小鼠条件敲除LKB1出现了成骨化肿瘤和软骨化肿瘤的双表型。这一现象表明，骨骼干细胞可能比我们想像要复杂得多，Prrx1阳性CTSK阴性的骨骼干细胞是否可能就是近期由美国密西根大学Noriaki Ono课题组鉴定的PTHrP阳性的骨骼干细胞呢^[5]；LKB1在成体间质干细胞(Leptin 受体阳性细胞)中的功能又是如何呢^[6]。此外，LKB1 在CTSK阳性细胞中的敲除还导致了脊椎骨处的骨肉瘤发生，该处的肿瘤是否也是显示膜内成骨特性；脊椎骨的干细胞是否也是由CTSK阳性Prrx1阴性标记呢？这些问题得值得我们进一步去探索和深入。因此，该项研究开启为了骨骼干细胞的研究的“魔盒”提供了诸多新的切入点和进一步研究的思路，是国内骨骼干细胞研究的开山之作，值得我们广大读者去借鉴和学习和思考。

参考文献

1.Debnath, S., et al., Discovery of a periosteal stem cell mediating intramembranous bone formation.Nature, 2018. 562(7725): p. 133-139.2.

2.Yang, W., et al., Ptpn11 deletion in a novel progenitor causes metachondromatosis by inducing hedgehog signalling. Nature, 2013. 499(7459): p. 491-5.

3. Kagan JC, Medzhitov R. Phosphoinositide-mediated adaptor recruitment controls Toll-like receptor signaling. Cell 2006;125(5):943-55.

4. Yang W, Wang J, Moore DC, Liang H, Dooner M, Wu Q, Terek R, Chen Q, Ehrlich MG, Quesenberry PJ et al: Ptpn11 deletion in a novel progenitor causes metachondromatosis by inducing hedgehog signalling. Nature 2013, 499(7459):491-495.

5. Debnath S, Yallowitz AR, McCormick J, Lalani S, Zhang T, Xu R, Li N, Liu Y, Yang YS, Eiseman M et al: Discovery of a periosteal stem cell mediating intramembranous bone formation. Nature 2018, 562(7725):133-139.

6. Mizuhashi K, Ono W, Matsushita Y, Sakagami N, Takahashi A, Saunders TL, Nagasawa T, Kronenberg HM, Ono N: Resting zone of the growth plate houses a unique class of skeletal stem cells. Nature 2018, 563(7730):254-258.

原文转载自微信公众号：BioArt

原标题：专家点评JCI丨国内骨骼干细胞研究的开山之作——邹卫国/康铁邦合作揭示新的骨膜来源中胚层间质前体细胞与骨肿瘤发生机制