Abstract Human skeletal stem cells (SSCs) have been discovered in fetal and adult bones. However, the spatiotemporal ontogeny of human SSCs during embryogenesis has been elusive. Here we map the transcriptional landscape of human embryonic skeletogenesis at single-cell resolution to address this fundamental question. We found remarkable heterogeneity within human limb bud mesenchyme and epithelium, as well as the earliest osteo-chondrogenic progenitors. Importantly, embryonic SSCs (eSSCs) were found in the perichondrium of human long bones, which self-renew and generate osteochondral lineage cells, but not adipocytes or hematopoietic stroma. eSSCs are marked by the adhesion molecule CADM1 and highly enrich FOXP1/2 transcriptional network. Interestingly, neural crest-derived cells with similar phenotypic markers and transcriptional network were also found in the sagittal suture of human embryonic calvaria. Taken together, this study revealed the cellular heterogeneity and lineage hierarchy during human embryonic skeletogenesis, and identified distinct skeletal stem/progenitor cells that orchestrate endochondral and intramembranous ossification.

Abstract Mechanical overload on the spine is a critical factor in the onset of intervertebral disc (IVD) degeneration. However, the lack of a precise and reliable animal model impedes a comprehensive understanding of the pathogenesis associated with IVD degeneration. In this study, we identified the high prevalence of spontaneous fibrotic alterations in IVDs predominantly located in the tail base, spanning from Co3/4 to Co5/6 levels, as early as 28 days in mice. These fibrotic IVDs manifested characteristics including extracellular matrix fibrosis and a decline in cell density. We leveraged a finite element model of computational biomechanics to generate fully predictive, three-dimensional simulations of flexion motion in the mouse tail. Our simulations revealed that the caudal discs in the mouse tail base underwent various mechanical overloads. Hence, we propose that the caudal IVDs in mice can serve as a novel mechanical model for investigating the mechanisms underlying the pathogenesis of IVD degeneration.

Background: Sarcopenia is an age-related condition characterized by progressive loss of muscle mass, strength, and function. The occurrence of sarcopenia has a huge impact on physical, psychological, and social health. Therefore, the prevention and treatment of sarcopenia is becoming an important public health issue. Method: 35 six-week-old male C57BL/6 mice were randomly divided into five groups, one of which served as a control group, while the rest of the groups were constructed as a model of sarcopenia by intraperitoneal injection of D-galactose. The intervention with lactoferrin, creatine, and their mixtures, respectively, was carried out through gavage for 8 weeks. Muscle function was assessed based on their endurance, hanging time, and grip strength. The muscle tissues were weighed to assess the changes in mass, and the muscle RNA was extracted for myogenic factor expression and transcriptome sequencing to speculate on the potential mechanism of action by GO and KEGG enrichment analysis. Result: The muscle mass (lean mass, GAS index), and muscle function (endurance, hanging time, and grip strength) decreased, and the size and structure of myofiber was smaller in the model group compared to the control group. The intervention with lactoferrin and creatine, either alone or combination, improved muscle mass and function, restored muscle tissue, and increased the expression of myogenic regulators. The combined group demonstrated the most significant improvement in these indexes. The RNA-seq results revealed enrichment in the longevity-regulated pathway, MAPK pathway, focal adhesion, and ECM–receptor interaction pathway in the intervention group. The intervention group may influence muscle function by affecting the proliferation, differentiation, senescence of skeletal muscle cell, and contraction of muscle fiber. The combined group also enriched the mTOR-S6K/4E-BPs signaling pathway, PI3K-Akt signaling pathway, and energy metabolism-related pathways, including Apelin signaling, insulin resistance pathway, and adipocytokine signaling pathway, which affect energy metabolism in muscle. Conclusions: Lactoferrin and creatine, either alone or in combination, were found to inhibit the progression of sarcopenia by influencing the number and cross-sectional area of muscle fibers and muscle protein synthesis. The combined intervention appears to exert a more significant effect on energy metabolism.

Tracing the emergence of the first hematopoietic stem cells (HSCs) in human embryos, particularly the scarce and transient precursors thereof, is so far challenging, largely due to technical limitations and material rarity. Here, using single-cell RNA sequencing, we constructed the first genome-scale gene expression landscape covering the entire course of endothelial-to-HSC transition during human embryogenesis. The transcriptomically defined HSC-primed hemogenic endothelial cells (ECs) were captured at Carnegie stage 12-14 in an unbiased way, showing an unambiguous arterial EC feature with the up-regulation of RUNX1, MYB and ANGPT1. Importantly, subcategorizing CD34+CD45- ECs into CD44+ population strikingly enriched hemogenic ECs by over 10-fold. We further mapped the developmental path from arterial ECs via HSC-primed hemogenic ECs to hematopoietic stem progenitor cells, and revealed a distinct expression pattern of genes that were transiently over-represented upon the hemogenic fate choice of arterial ECs, including EMCN, PROCR and RUNX1T1. We also uncovered another temporally and molecularly distinct intra-embryonic hemogenic EC population, which was detected mainly at earlier CS 10 and lacked the arterial feature. Finally, we revealed the cellular components of the putative aortic niche and potential cellular interactions acting on the HSC-primed hemogenic ECs. The cellular and molecular programs and interactions that underlie the generation of the first HSCs from hemogenic ECs in human embryos, together with distinguishing HSC-primed hemogenic ECs from others, will shed light on the strategies for the production of clinically useful HSCs from pluripotent stem cells.