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专家点评Cell Res 刘兵兰雨团队解密人类造血干细胞起源

  人类HSC再生,是世界性难题,迄今缺乏能够被科学界广泛重复和认可的方法。这一技术瓶颈的背后是人类HSC发育起源信息的匮乏。HSC发生学是一个发育生物学上的极低概率事件(新生的HSC数量级在几十个细胞以内)。HSC发生伴随着早期内皮发育、多波早期造血发育等时空重叠事件,期间产生的各细胞类型间的作用关系错综复杂。长期以来,由于缺乏相应技术手段和早期胚胎材料,导致科学家难以捕获人类HSC发育的单细胞时空路径。

  能够在体内产生所有类型的血液细胞,并且通过自我更新和多系分化维持个体整个生命周期的血液系统功能。虽然HSC的发生过程在斑马鱼和小鼠等动物模型已经被充分揭示,但受限于研究技术的缺乏和研究材料的稀缺,目前对人类早期胚胎造血发育的认识仍十分有限。研究人员通过异种移植的功能分析,确认了人类的HSC于胚胎卡内基阶段区域。与胎肝和脐带血中HSC类似,AGM区的HSC也具有CD45+CD34+表型

  解放军总医院第五医学中心(原军事医学科学院附属医院)研究员,博士生导师。研究方向聚焦“基于造血干细胞发育规律建立再生新策略”,陆续取得多个科学发现,包括:国际上首次在单细胞尺度实现人和小鼠造血干细胞发育全程的深度解析;阐明LncRNA在造血干细胞发生过程的重要作用;阐明造血干细胞起源的功能异质性;揭示小鼠胚胎头部是造血干细胞发育的新位点。近五年承担国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等项目,入选国家科技部创新领军人才、万人计划等,以通讯作者在Nature、Cell Stem Cell、Cell Research、Blood 等杂志发表多篇学术论文,其中4篇被F1000推荐。培养的博士研究生荣获2016年度吴瑞奖(The Ray Wu Prize)。

  现有研究报道,近年来科学家通过利用斑马鱼和小鼠模型,但是由于研究材料的稀缺和研究技术的缺乏,科学家们拥有了对单细胞水平展开研究的手段,作者在转录组水平绘制出AGM区HSPC的发育路径,作者将AGM区CD45+CD34+细胞群体进行单细胞转录组测序,近年来随着单细胞测序技术的不断发展,引起国内外同行的广泛关注和一致好评【9】。捕获到三类各具特征的造血干祖细胞(hematopoietic stem and progenitor cell,人的HSC是否也需要经过内皮造血转化(endothelial-to-hematopoietic transition,解放军总医院第五医学中心刘兵研究组、北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心汤富酬研究组和中国医学科学院天津血液病医院(血液学研究所)袁卫平研究组在Nature杂志发表长文,

  最后,为了阐释AGM区微环境成分对HEC产生的潜在作用,作者首先解析了背主动脉微环境的细胞组成,进一步利用受配体基因互作分析揭示了包括三类间质细胞、上皮细胞、动静脉内皮细胞等微环境群体与HEC之间潜在的细胞间相互作用。

  在利用一系列先进的单细胞组学和功能技术系统揭示了小鼠第一个HSC发育早期的时空规律后,刘兵/兰雨合作团队又开启了人类HSC前世探索之旅。他们最近在Cell Research杂志在线发表的题为“Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing”的研究论文,利用先进的单细胞测序和分析技术,把人类胚胎早期HSC发生学进行了精确解析:(1)阐明了人类HEC的异质性,并鉴定到特异标记分子,将真正HEC富集度提高十倍以上;(2)揭秘了人类HEC(CXCR4low)不同于同期其它动脉内皮(CXCR4high)的分子特征;(3)首次绘制了人类HEC发育微环境调控分子图谱,为体外再生iHSC提供重要参考。

  2019年9月9日,解放军总医院第五医学中心刘兵研究组与暨南大学基础医学院兰雨研究组合作在Cell Research杂志在线发表了题为Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing的研究论文。该研究在国际上首次从单细胞尺度阐述人胚第一个HSC发生全程的细胞层级、分子特征、细胞间相互作用,尤其依靠单细胞转录组数据筛选获得高特异性的HEC标志,精确解析了HEC靶向HSC命运转化的多个阶段,为未来HSC再生提供重要的理论支持和策略指导。

  造血干细胞(HSC)通过维持自我更新和多能分化的精确平衡,在体内产生各种类型的血液细胞,不仅可以用于维持生物体发育过程各个阶段的造血系统功能,也被广泛应用于移植来治疗包括血液、免疫、遗传性疾病和恶性肿瘤等在内的多种疾病【12】。因此,在体外获得足够数目、并拥有体内造血重建能力的HSC被认为是该领域的圣杯(Holy Grail)之一。针对此问题,目前的主要解决方案包括:(1)通过靶向特定基因或者信号通路对脐带血HSC进行扩增(ex vivo Expansion);(2)通过对体细胞自下而上进行重编程获得功能性HSC(Direct Conversion);(3)通过诱导分化将胚胎干细胞(ESCs)或者诱导性多能干细胞(iPSCs)自上而下分化成HSC(Directed Differentiation)【13】。然而到目前为止,尚无领域内一致认可的方法能够产生跨代、多系、安全、稳定造血重建的人源HSC。究其原因,主要在于对人早期胚胎造血发育过程,尤其是对人HSC胚胎发生的时序特征及调控机制的认识不清楚、不全面。

  据悉,刘兵研究员和兰雨研究员为该论文的通讯作者。曾扬博士、博士研究生贺健,博士研究生柏志杰,李宗城博士为该研究论文的第一作者。解放军总医院第五医学中心妇科卞丽红主任和马春雨医生为该工作提供了大力支持。

  造血干细胞(HSC)移植广泛应用于临床,能够治疗包括血液肿瘤、血液遗传缺陷、以及免疫缺陷等疾病。然而,天然HSC难以进行精确基因编辑,来源也受到个体局限,加之扩增技术尚不成熟,严重限制了HSC移植在精准医学领域的广泛应用。解决上述问题的理想途径就是再生手段获得可移植、有功能、免疫兼容的诱导型HSC(iHSC)。

  近日,解放军总医院第五医学中心刘兵研究组与暨南大学基础医学院兰雨研究组合作在Cell Research杂志在线发表了题为“Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing”的研究论文,将该合作团队在小鼠HSC的工作进一步推向人HSC的研究,通过高深度单细胞转录组测序在国际上首次鉴定出人胚HSC产生过程中的关键HEC群体,同时具有明显的动脉内皮和造血特征,并首次报道CD44是识别人HEC的表面分子标志物,在竞争异常激烈的该领域拔得头筹。该合作团队进一步发现了人AGM区3种不同特征的造血干祖细胞(hematopoietic stem and progenitor cell,HSPC),并进而绘制出这些细胞的发育路径和分子特征。

  功能学和组织学实验证实,人类胚胎的第一个HSC产生于背主动脉腹侧壁【3,4】。鉴于人类HSC与血管内皮细胞存在着紧密的时空联系,并且共享一些表面标志【4】,因此推测人类HSC与小鼠类似,均起源于生血内皮细胞(hemogenic endothelial cell,HEC)【5】。目前研究认为,HEC表达内皮基因和生血特异的转录因子RUNX1,但不表达典型造血表面标志如CD43和CD45【6,7】。HEC的特化是血管内皮细胞选择HSC命运的关键步骤,然而,由于HEC数量稀少、发育过程转瞬即逝,对于内皮造血转化的认识,尤其是对HEC的精准识别,成为造血发育研究领域的重点和难点。

  暨南大学基础医学院研究员,博士生导师。广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队带头人。研究方向:血管及血液系统发育。主要基于条件基因敲除及系列单细胞技术,开展血管及血液系统发育的规律及谱系研究,专家点评Cell Res 刘兵兰雨团队解密人类造血干细胞起源探索重要信号通路在血管及血液系统发育和疾病中的功能和机制。作为负责人先后承担国家重点研发计划课题,国家自然科学基金委重大项目课题、重大研究计划培育项目等。通讯作者研究论文发表在Cell Stem Cell、Developmental Cell、Cell Research、Circulation Research、Blood等杂志。论文引用1000余次,4篇第一/通讯作者研究论文被F1000推荐。科研成果曾获得国家自然科学二等奖(2012年,排名第4)。

  刘兵/兰雨合作团队的这项研究工作,解决了人胚HSC样本搜集、处理过程中的一系列技术难题,不仅在国际上首次从单细胞水平解析了人胚HSC发生的细胞和分子特征,还系统性的比较了人胚不同阶段HEC、HSPC(CS 10-15)的区别,以及人AGM微环境细胞与其他细胞的关系。因此,这项工作是本领域中的一个里程碑式的研究,对于在体外获得造血重建能力的HSC有着极其重要的理论指导意义和潜在的价值。

  EHT)尚不清楚。该团队曾在2016年利用Procr高效识别小鼠胚胎期pre-HSC【9】(详见BioArt报道:【五星推荐】周帆:《Nature》文章第一作者的科研心路历程)。值得一提的是,DA)的生血内皮细胞(hemogenic endothelial cell,有助于理解不同系统的发育过程、发现新的细胞亚群【14】。识别了此过程中不同的基因表达模式,HEC)【3】。首次在国际上从单细胞水平系统、深入地解析了小鼠HSC形成和特化过程中的关键特征和分子机制,2016年,联合动脉内皮细胞和HEC的分析,HSPC)。如EMCN、PROCR 和 RUNX1T1等(图2)。并且揭示了一类独特的特异在HEC阶段表达上调的基因,尽管之前的功能学和组织学研究证实人类胚胎的第一个HSC也产生于AGM区域。发现斑马鱼和小鼠的HSC起源于背主动脉腹侧壁(dorsal aorta,人胚AGM区HSC存在于CD45+CD34+的细胞群体中【3】?

  作者首先利用高通量的10x Genomics单细胞转录组测序解析了人类胚胎HSC产生窗口时期背主动脉的细胞群体,通过无偏颇特征分析,根据内皮特征基因(CDH5,SOX7等)和造血转录因子RUNX1的表达鉴定出HEC群体,并初步筛选得到能够识别HEC的表面标志分子CD44。作者进一步分选CD44+和CD44-内皮细胞进行基于STRT(Single-cell Tagged Reverse Tranion sequencing)的高深度单细胞转录组测序,证实CD44可将HEC群体富集效率提高10倍以上。作者发现这群存在于HSC产生时间窗的人胚AGM区HEC呈现出明确的动脉特征,并且相比于动脉内皮细胞,高表达MYB,ANGPT1和IL1RL1,低表达传统的动脉基因CXCR4。

  综上所述,该工作首次在单细胞水平解析了人胚第一个HSC发生的细胞和分子事件(图4);结合对于不同类型HEC的甄别以及潜在微环境调控的认识,这些发现将为人多能干细胞来源的HSC再生研究提供必要的理论支撑。

  进一步,作者还发现在更为早期的CS 10(妊娠后23天)胚体内,存在着另一类缺乏动脉特征的HEC群体。在斑马鱼和小鼠模型上已经证实存在不同批次的造血活动,包括不能产生HSC的瞬时定向造血【10,11】和产生HSC的永久定向造血,作者推测这类缺乏动脉特征的HEC和HSC产生前的造血活动相关(图3)。

  总之,这个研究为人类HSC再生提供了里程碑式的珍贵信息资源。刘兵/兰雨合作团队的先进技术平台与积累,也为我国科学家在造血再生领域取得重大原创技术突破提供了重要支撑。

  鉴于临床的巨大需求和血液细胞来源有限性之间的矛盾,血液系统尤其是HSC的再生研究显得尤为重要。研究者一直致力于利用多能干细胞高效诱导功能性HSC,但罕见成功的报道,表明对于HSC胚胎发生的时序特征及调控机制的认识仍有待深入,HSC的再生研究依然任重道远【8】。

  斑马鱼和小鼠中的研究提示造血系统发育过程中在不同区域会出现批次性的发育情况(Multiple Waves of Hematopoiesis)【5】。刘兵/兰雨合作团队通过对更早期人胚样品的采集和分析,发现更为早期的CS 10(妊娠后23天)阶段的HEC群体缺乏动脉特征,和较晚期的CS 12-15阶段的HEC群体存在明显的不同,对人胚HSC发育理论做出了重要的补充。另外,目前诱导人ESCs或者iPSCs之所以不能产生HSC,其根源可能在于长期忽略对动脉特征的调节作用,因此通过激活分化过程中动脉特征基因的表达,是产生能够多系造血重建人源HSC的关键所在。在论文的最后,该合作团队系统性的分析了人AGM区微环境细胞的分类,以及微环境细胞与上皮细胞、动静脉内皮细胞、造血细胞之间的受配体基因互作关系,进一步阐释人AGM区微环境成分对HEC产生的潜在分子机制。


点击次数:  更新时间:2020-01-14 09:59   【打印此页】  【关闭