骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是目前世界上最广泛的年龄相关和创伤后退变性关节功能障碍性疾病。根据美国疾病与预防控制中心调查数据显示,关节炎在美国影响26.0%的女性和19.1%的男性。OA患者65岁以上的发病率为80%。OA主要以软骨稳态功能障碍和渐进性的炎症和降解反应,并最终导致慢性物理性残疾和进展性的不可逆性的功能障碍。尽管大量的针对软骨细胞的研究报道发现了相关OA软骨退变基质降解的相关靶基因和治疗策略,有效的进行OA诊断和临床转归预测的途径却依然缺乏。因此,深入研究炎症的病理生理和相关机制,以及了解软骨细胞在OA软骨退变进程中的具体作用显得尤为重要。方法:第一部分,采用单细胞转录组测序分析(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)、计算机生物信息学分析和组织病理学分析对来自10位全膝关节置换的OA患者的1464个软骨细胞进行分析,并采用严重程度指数和对应分析对OA软骨退变转录组图谱和临床转归之间的关系进行研究。第二部分,采用Col2a1-CreERT2;HPIPf/f和HPIPf/f和小鼠对HPIP在软骨形成中的作用进行研究;采用前交叉韧带切除术(ACLT)构建OA动物模型研究HPIP在OA中的作用。通过关节腔内注射AAV携带的HPIP特异性shRNA研究HPIP作为OA潜在靶标的作用,并检测HPIP在OA患者中的表达。采用RNA-seq和ChIP-seq测序及相关分子生物学实验研究HPIP参与的具体机制。第三部分,采用microarray芯片对隐丹参酮调控的miRNAs分子进行筛选,前交叉韧带切除术构建OA动物模型,并通过μCT和组织病理学及分子生物学实验研究隐丹参酮制剂参与调控骨关节炎软骨退变基质降解的机制。结果:1)我们首次发现在人OA软骨中存在7种软骨细胞分子生物学分型,其中包含3种新的具有不同功能的细胞表型。我们呈现了在单细胞水平OA不同阶段的软骨细胞的基因表达谱和转录调控网络。我们发现了在增值性软骨细胞、前肥大软骨细胞和肥大软骨细胞之间的潜在转化关系,并发现了肥大软骨细胞存在新的亚型。我们通过生物信息学分析发现了软骨前体细胞的新的生物标志物,并揭示了软骨前体细胞和纤维软骨细胞之间的关系。重要的是,我们针对OA临床转归进行了靶标预测,并阐释了不同软骨细胞类型在OA早期临床诊断和治疗中的作用。2)HPIP在OA患者中高表达。Col2a1-CreERT2/HPIPf/f小鼠相对于HPIPf/f小鼠表现出明显的骨骼畸形。OA动物模型实验发现HPIP基因敲除能够保护软骨抑制OA病程。此外,关节腔内注射腺病毒携带的HPIP特异性shRNA能够抑制OA组织病理学特征。重要的是,体外RNA-seq和ChIP-seq实验发现HPIP能够通过激活WNT信号通路调节OA软骨退变基质降解。在机制上,HPIP能够通过与LEF1相互作用促进WNT靶基因的转录。更进一步说,HPIP能够促进LEF1的转录活性,并通过H3K56ac调节WNT信号通路靶基因启动子功能。3)隐丹参酮在人软骨细胞中能够显著促进miR-106a-5p的表达。通过前交叉韧带切除术构建的小鼠动物模型,我们发现关节腔内注射miR-106a-5p能够显著改善OA症状。另外,miR-106a-5p能够通过靶向GLIS3的3’端非转录区抑制GLIS3的表达。隐丹参酮能够通过募集PAX家族转录因子PAX5到miR-106a-5p的启动子上从而促进miR-106a-5p的表达。抑制PAX5的表达能够减弱CTS调节miR-106a-5p表达的能力。在OA患者中,miR-106a-5p和PAX5均呈现低表达水平,而GLIS3呈现高表达水平。结论:我们提供的软骨细胞新的分子生物学分型为人OA软骨退变基质降解和有效的改善健康提供了新的思路;HPIP是OA软骨退变调控网络的重要靶标,其重要功能可为OA治疗提供新的方向;PAX5/miR-106a-5p/GLIS3轴线在CTS调控的OA软骨退变中发挥重要作用,miR-106a-5p和PAX5基因激活以及GLIS3基因抑制将为治疗OA提供新的策略。