Abstract Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs) are multipotent stromal cells, which have a critical role in the maintenance of skeletal tissues such as bone, cartilage, and the fat found in bone marrow. In addition to providing microenvironmental support for hematopoietic processes, BM-MSCs can differentiate into various mesodermal lineages including osteoblast/osteocyte, chondrocyte, and adipocyte cells that are crucial for bone metabolism. While BM-MSCs have high cell-to-cell heterogeneity in gene expression, the cell subtypes that contribute to this heterogeneity in vivo in humans have not been characterized. To investigate the transcriptional diversity of BM-MSCs, we applied single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) on freshly isolated CD271 + BM-derived mononuclear cells (BM-MNCs) from two human subjects. We successfully identified LEPR hi CD45 low BM-MSCs within the CD271 + BM-MNC population, and further codified the BM-MSCs into distinct subpopulations corresponding to the osteogenic, chondrogenic, and adipogenic differentiation trajectories, as well as terminal-stage quiescent cells. Biological functional annotations of transcriptomes suggest that osteoblast precursors may induce angiogenesis coupled with osteogenesis, and chondrocyte precursors may have the potential to differentiate into myocytes. We discovered transcripts for several cluster of differentiation (CD) markers that were highly expressed (e.g., CD167b, CD91, CD130 and CD118) or absent (e.g., CD74, CD217, CD148 and CD68) in BM-MSCs and could be novel markers for human BM-MSC purification. This study is the first systematic in vivo dissection of human BM-MSCs cell subtypes at the single-cell resolution, revealing insight into the extent of their cellular heterogeneity and bone homeostasis.

Abstract Osteoblasts are multifunctional bone cells, which play essential roles in bone formation, angiogenesis regulation, as well as maintenance of hematopoiesis. Although both in vivo and in vitro studies on mice have identified several potential osteoblast subtypes based on their different transition stages or biological responses to external stimuli, the categorization of primary osteoblast subtypes in vivo in humans has not yet been achieved. Here, we used single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to perform a systematic cellular taxonomy dissection of freshly isolated human osteoblasts. Based on the gene expression patterns and cell lineage reconstruction, we identified three distinct cell clusters including preosteoblasts, mature osteoblasts, and an undetermined rare osteoblast subpopulation. This novel subtype was mainly characterized by the nuclear receptor subfamily 4 group A member 1 and 2 (NR4A1 and NR4A2), and its existence was confirmed by immunofluorescence staining. Trajectory inference analysis suggested that the undetermined cluster, together with the preosteoblasts, are involved in the regulation of osteoblastogenesis and also give rise to mature osteoblasts. Investigation of the biological processes and signaling pathways enriched in each subpopulation revealed that in addition to bone formation, preosteoblasts and undetermined osteoblasts may also regulate both angiogenesis and hemopoiesis. Finally, we demonstrated that there are systematic differences between the transcriptional profiles of human osteoblasts in vivo and mouse osteoblasts both in vivo and in vitro , highlighting the necessity for studying bone physiological processes in humans rather than solely relying on mouse models. Our findings provide novel insights into the cellular heterogeneity and potential biological functions of human primary osteoblasts at the single-cell level, which is an important and necessary step to further dissect the biological roles of osteoblasts in bone metabolism under various (patho-) physiological conditions.

ABSTRACT Wnt/β-catenin signaling has been well established as a potent inhibitor of adipogenesis. Here, we identified a population of adipocytes that exhibit persistent activity of Wnt/β-catenin signaling, as revealed by the Tcf / Lef-Gfp reporter allele, in embryonic and adult mouse fat depots, named as Wnt + adipocytes. We showed that the β-catenin-mediated signaling activation in these cells is Wnt ligand- and receptor-independent but relies on AKT/mTOR pathway and is essential for cell survival. Such adipocytes are distinct from classical ones in transcriptomic and genomic signatures and can be induced from various sources of mesenchymal stromal cells including human cells. Genetic lineage-tracing and targeted cell ablation studies revealed that these adipocytes convert into beige adipocytes directly and are also required for beige fat recruitment under thermal challenge, demonstrating both cell autonomous and non-cell autonomous roles in adaptive thermogenesis. Furthermore, mice bearing targeted ablation of these adipocytes exhibited glucose intolerance, while mice receiving exogenously supplied such cells manifested enhanced glucose utilization. Our studies uncover a unique adipocyte population in regulating beiging in adipose tissues and systemic glucose homeostasis.