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10X单细胞转录组测序助力解析运动促进骨形成和免疫功能的新机制
继续我们的单细胞客户文章解读！近日，中南大学湘雅医院罗湘杭教授团队，在Cell Metabolism (IF: 27.287)期刊发表了关于运动促进骨形成和免疫的原创性研究成果，揭示骨髓巨噬细胞在运动后分泌丰富的reticulocalbin-2(RCN2)，RCN2作为一种脂解因子结合脂肪细胞受体复合物Neuropilin-2/Intergrin-b1启动骨髓脂肪脂解，为淋巴生成和骨形成提供能量，并且RCN2重组蛋白能显著改善小鼠骨丢失和淋巴细胞生成下降的表型。
湘雅医院内分泌科彭慧医师为第一作者，罗湘杭教授为通讯作者。欧易生物提供了该项目单细胞转录组测序和分析相关工作，下面我们一起学习这篇文章的具体内容。
材料：久坐小鼠和运动小鼠骨髓
期刊：Cell Metabolism
发表时间：2022年6月15日
方法：欧易生物10X Genomias scRNA-seq
运动涉及骨骼和免疫系统中各种各样的生理过程，能够促进骨形成和免疫反应，长期卧床不起、缺少运动的老年人就会容易骨质疏松及免疫力降低。骨髓是一种高度活跃的组织，需要大量的能量来维持其干细胞分化以及免疫细胞的激活与应答反应。骨髓脂肪被认为是一个潜在的能量储存库，通过脂肪分解产生能量底物，通过激活脂肪酸氧化作用为邻近细胞提供能量。然而骨髓脂肪是否以及如何影响运动刺激的骨形成和免疫反应仍不清楚，因此本文进行了以下研究。
跑步有助于提高骨骼质量和更强的免疫反应，为了阐明运动诱导的骨形成和免疫调节机制，通过蛋白质组学研究久坐组和运动组小鼠，结果发现运动可以刺激骨髓脂肪代谢。为进一步研究游离脂肪酸（FFAs）在骨驻留细胞中的作用，针对久坐组和运动组小鼠的骨髓进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)。结果显示脂肪酸氧化相关基因(Cpt1a、Acadm、Acadl)在pro-B cells、late pro-B cells、NK cells以及骨髓间充质干细胞 (BMSCs)中表达上调(图1b)，表明了骨髓脂肪脂解对骨形成和淋巴细胞生成发挥重要作用。
图1 | 骨髓脂肪脂分解有助于运动刺激的骨形成和淋巴生成
锻炼可以延缓身体衰老，基于上述结果以及已发表数据（年轻与老年组，久坐和运动组）使用蛋白质组数据筛选骨髓微环境中调控脂解的关键因子，结果显示RCN2在运动组小鼠骨髓中表达较高，而在老年组中较低。通过研究不同细胞类型RCN2的表达，发现巨噬细胞中RCN2的表达明显高于其他细胞类型，并且运动促进了RCN2在巨噬细胞中的表达，但未在其他细胞类型中发现。
因此针对两组小鼠的巨噬细胞使用单细胞数据进行进一步研究(图2m)，首先对巨噬细胞进行了降维聚类分为了8个亚群(图2n)，使用8个亚群数据分析RCN2在两组小鼠中的表达情况，发现运动组小鼠各细胞群中RCN2表达均高于久坐组(图2o)，进一步表明运动可以促进巨噬细胞表达RCN2。
图2 | 运动诱导巨噬细胞分泌RCN2
作者通过构建巨噬来源的Rcn2基因敲除小鼠，发现巨噬细胞来源的Rcn2敲除小鼠对运动刺激后的骨形成和淋巴细胞生成功能被削弱。cAMP-PKA信号可以激活脂肪组织中的脂肪分解，为研究RCN2是否调节这一通路进行深入分析。结果表明RCN2通过结合NRP-2和ITGB1受体复合体并激活cAMP-PKA信号通路来刺激脂质分解，为淋巴生成和骨形成提供能量。
上述发现表明，运动可以促进骨髓巨噬细胞的RCN2分泌。为了从功能丧失的角度进一步探索这一发现，使用小鼠悬尾实验，证实RCN2重组蛋白能抑制后肢失负荷小鼠和老年小鼠的骨髓脂肪堆积，减缓制动所致的或年龄相关性淋巴细胞生成和骨形成下降。这些结果表明RCN2重组蛋白有望成为治疗或预防骨质疏松症，以及提高免疫力的潜在药物。
结论
1、骨髓脂肪脂解参与维持运动刺激的淋巴生成和骨形成；
2、骨髓巨噬细胞在运动后分泌丰富的reticulocalbin-2(RCN2)，RCN2启动骨髓脂肪脂解，为淋巴生成和骨形成提供能量；
3、RCN2重组蛋白能显著改善小鼠骨丢失和淋巴细胞生成下降的表型。
参考文献
Peng Hui., Hu Biao., Xie Ling-Qi., Su Tian., Li Chang-Jun., Liu Ya., Yang Mi., Xiao Ye., Feng Xu., Zhou Rui., Guo Qi., Zhou Hai-Yan., Huang Yan., Jiang Tie-Jian., Luo Xiang-Hang.(2022). A mechanosensitive lipolytic factor in the bone marrow promotes osteogenesis and lymphopoiesis. Cell Metab.
doi:10.1016/j.cmet.2022.05.009
