《Biochemical Genetics》：Identification of a Novel Mitochondrial-Related Gene Signature for BMSCs in Osteoporosis Combining Single-Cell and Bulk Transcriptome Data
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骨质疏松（OS）是常见骨骼疾病，与骨髓间充质干细胞（BMSCs）功能受损有关。研究人员整合单细胞和批量转录组数据，开展骨质疏松中 BMSCs 线粒体相关基因特征研究。结果发现 4 个关键基因，DUT 沉默会损害线粒体功能和骨向分化能力，为 OS 治疗提供潜在靶点。
在骨骼的微观世界里，有一种悄然而至却影响深远的疾病 —— 骨质疏松（Osteoporosis，OS）。它就像一个 “沉默的杀手”，降低骨量、破坏骨微结构，大大增加骨折风险，严重影响人们的生活质量。全球范围内，大量人群深受其害，不仅给医疗资源带来沉重负担，更威胁着人们的健康。
骨髓间充质干细胞（Bone Mesenchymal Stem Cells，BMSCs）作为成骨细胞的 “前体”，在维持骨骼健康中扮演着关键角色。正常情况下，BMSCs 能自我更新并分化为成骨细胞，助力骨骼的修复与重建。但在骨质疏松状态下，BMSCs 仿佛被施了 “魔法”，增殖能力下降、分化潜能改变、衰老加速，导致骨骼的 “建设大军” 力量不足，骨量持续流失。
近年来，线粒体在 BMSCs 功能调控中的重要性逐渐被揭示。线粒体是细胞的 “能量工厂”，为细胞活动提供能量，同时在钙稳态维持、细胞凋亡调控等方面也发挥关键作用，这些过程都与骨骼代谢息息相关。此外，线粒体自噬（Mitophagy），即清除受损线粒体的过程，对 BMSCs 功能和骨向分化也至关重要。然而，线粒体相关基因在骨质疏松 BMSCs 中的作用机制仍不明确。
为了揭开这层神秘的面纱，安徽医科大学附属阜阳人民医院、安徽省脊柱畸形临床研究中心、阜阳师范大学阜阳医学院、安徽省组织移植重点实验室、蚌埠医学院第一附属医院骨科等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Biochemical Genetics》杂志上，为骨质疏松的治疗带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从公共数据库获取 BMSCs 的单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）数据（GSE147287）和批量转录组数据（GSE35956），并从 MitoCarta 3.0 数据库下载线粒体相关基因（MRGs）列表。然后，运用 Seurat 等工具对数据进行整合、降维、聚类和细胞注释，筛选差异表达基因并进行功能富集分析。接着，利用 LASSO 逻辑回归和随机森林算法筛选关键基因，构建基因互作网络并预测调控因子。此外，通过分离培养健康人和骨质疏松患者的 BMSCs，运用实时荧光定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）、蛋白质免疫印迹法（Western blot）、免疫荧光染色等实验技术对关键基因进行验证，还进行了细胞转染、电镜观察、细胞染色等实验探究基因功能。
研究结果如下：
单细胞聚类与差异分析 ：对 GSE147287 数据集进行处理，经过严格筛选保留了高质量的基因和细胞数据。通过注释和聚类分析，将细胞分为 20 个亚群，发现不同细胞亚群具有独特的转录谱，可能与疾病进展相关。线粒体相关通路评分 ：分析不同细胞群体的功能特征，发现 BMSCs 在关键代谢和增殖相关通路中富集。进一步研究发现，线粒体功能与能量代谢、细胞增殖和脂肪生成密切相关，BMSCs 和 Pre-B 细胞 CD34 表达的线粒体相关基因水平较高。批量转录组差异基因分析与关键 MRGs 筛选 ：对 GSE35956 数据集分析，鉴定出大量差异表达基因。通过整合分析，得到 28 个差异表达的 MRGs，并通过机器学习算法筛选出 4 个关键基因（DUT、UQCR10、DNAJC4 和 MRPL33）。功能富集分析表明，这些基因参与线粒体重要功能和疾病相关通路。关键 MRGs 在 BMSCs 中的差异表达验证 ：收集并培养健康人和骨质疏松患者的 BMSCs，实验验证了 DUT、UQCR10 和 MRPL33 的差异表达，免疫荧光染色显示部分基因与线粒体共定位。干扰 DUT 对 BMSCs 骨向分化能力的影响 ：电镜观察发现骨质疏松患者 BMSCs 线粒体受损，骨向分化能力下降。敲低 DUT 表达后，BMSCs 线粒体数量减少、形态异常，骨向分化能力显著降低，细胞衰老加速。
研究结论表明，该研究成功鉴定出骨质疏松患者 BMSCs 中与线粒体相关的基因标记（DUT、UQCR10、DNAJC4 和 MRPL33），并确定了其编码蛋白的线粒体定位。其中，DUT 在骨质疏松患者 BMSCs 中显著下调，可能通过调节线粒体 DNA（mtDNA）的合成和修复来维持 BMSCs 功能。
在讨论部分，研究人员指出这些关键基因在骨质疏松发病机制中可能发挥重要作用。例如，UQCR10 参与线粒体复合物 III 的功能，MRPL33 对线粒体翻译至关重要，DUT 在维持核苷酸平衡和 DNA 稳定性方面不可或缺。干扰 DUT 会损害线粒体功能和 BMSCs 的骨向分化能力，表明 DUT 可能是骨质疏松治疗的潜在靶点。然而，该研究也存在一定局限性，如样本量较小、DUT 调节骨向分化的分子机制尚不明确、缺乏体内实验验证等。未来需要进一步研究来克服这些问题，深入探索这些基因的功能和潜在治疗价值，为骨质疏松的治疗提供更有效的策略。
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