11月17日，期刊Nature Aging在线发表题为Single-cell analysis of the somatic mutational landscape in human chondrocytes during aging and in osteoarthritis的研究文章。该研究由上海交通大学公共卫生学院任培君与爱因斯坦医学院Jan Vijg团队、附属第六人民医院张长青/高俊杰团队、明尼苏达大学董潇团队合作完成。文章解析了衰老和骨关节炎（OA）中关节软骨细胞的体细胞突变图谱、揭示OA中独特的突变特征、提示DNA损伤在OA发病机制中的重要作用。本研究为理解体细胞突变在衰老相关疾病中的作用，以及OA发病机制、疾病进展和潜在治疗靶点提供了高价值的基础数据。

在整个生命周期中，因DNA损伤修复和复制过程中的错误，体细胞会获得并积累突变，在各种组织和细胞类型中都普遍存在随年龄增长的体细胞突变负荷。体细胞突变不仅仅是细胞癌变的基础，其突变负荷的积累还可能参与多种疾病，在退行性疾病中的作用尤为引人关注。骨关节炎是全球面临的一项重大公共卫生挑战，其首要风险因素是高龄，随着人口老龄化进展，疾病相关的社会经济负担在不断加重。OA作为一项退行性关节功能障碍疾病，软骨退化和降解、软骨细胞功能稳态失衡和退化是其核心病理特征。但迄今，衰老和OA过程中软骨细胞的体细胞突变图谱尚未得到表征。

图1. 研究工作模式图

由于体细胞突变的随机性和低频率，以及常规高通量测序的固有测序错误率，为区分测序错误和真正的从头突变，本研究采用基于单细胞多重置换扩增（sc-MDA）的单细胞全基因组测序（sc-WGS）技术，单细胞突变检测分析流程（sc-caller）对来自患有OA的人类髋关节软骨以及对照软骨样本的100个单个软骨细胞的基因组，进行了体细胞突变检测和突变特征分析，以及突变的基因组分布、功能富集及疾病关联分析。

分析结果表明，每个软骨细胞包含数百到数千个单核苷酸变异（SNV），以及几十到上千个短插入/缺失突变（InDel），平均携带约2296个SNV和约276个InDel，这种总体突变负荷与多种人体细胞，如淋巴细胞、肝细胞、呼吸道上皮细胞、神经元和心肌细胞的突变负荷水平相当。与其他组织和细胞类型的研究结果一致，在软骨细胞中体细胞突变随着年龄的增长积累。每个软骨细胞每年平均新增33个SNV和5个InDel。研究还显示关节软骨细胞中稳定存在clock-like突变特征SBS5。

对比OA和对照组的软骨细胞突变图谱，发现OA软骨细胞中SNV和InDel突变的频率和积累速度显著低于非OA对照组的软骨细胞。InDel突变特征signature 1、COSMIC ID1、2、3在OA软骨细胞中也显著低于非OA对照组。但SNV突变特征在疾病组和对照组中无明显差异。H&E和TUNEL染色显示OA病变的软骨样本除软骨磨损和降解外，还存出现细胞空腔、较低的细胞密度和较高软骨细胞凋亡率。

在骨关节炎软骨细胞中，DNA损伤修复能力显著下降，而恢复或增强DNA损伤修复能力（例如提升SIRT6活性）能改善软骨细胞的代谢与稳态，并延缓OA进程。机体衰老伴随着基因组不稳定，随着年龄增长软骨细胞中DNA断裂不断积累，而OA软骨中的DNA断裂水平高于非OA软骨。结合本研究观察到的OA软骨中因凋亡造成的软骨细胞损失、以及更低的InDel频率，考虑InDel源于DNA断裂的不精确修复，DNA断裂修复活动变少会减少错误修复事件；另一方面，过高的DNA损伤会促使软骨细胞进入凋亡，使高损伤、高突变负荷的细胞被优先清除。综合来看，OA软骨细胞中突变形成的特征可归因于DNA修复能力下降所导致的“修复不足 + 损伤积累 + 高损伤细胞凋亡”的共同结果。

上海交通大学公共卫生学院任培君博士、博士生郑晨、附属第六人民医院庞依丹博士、上海交通大学公共卫生学院硕士生强羽为本文共同第一作者。爱因斯坦医学院Jan Vijg教授、附属第六人民医院高俊杰副研究员、张长青教授和明尼苏达大学董潇教授为本文共同通讯作者。本研究获得了国家自然科学基金的支持。