造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cell，HSC）能夠在體內(nèi)產(chǎn)生所有類型的血液細(xì)胞，并且通過自我更新和多系分化維持個(gè)體整個(gè)生命周期的血液系統(tǒng)功能。雖然HSC的發(fā)生過程在斑馬魚和小鼠等動(dòng)物模型已經(jīng)被充分揭示，但受限于研究技術(shù)的缺乏和研究材料的稀缺，目前對(duì)人類早期胚胎造血發(fā)育的認(rèn)識(shí)仍十分有限。研究人員通過異種移植的功能分析，確認(rèn)了人類的HSC于胚胎卡內(nèi)基階段（Carnegie stage，CS）14（妊娠后32天）最早出現(xiàn)在主動(dòng)脈-性腺-中腎（aorta–gonad–mesonephros，AGM）區(qū)域。與胎肝和臍帶血中HSC類似，AGM區(qū)的HSC也具有CD45 CD34 表型【1,2】（圖1）。
功能學(xué)和組織學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人類胚胎的第一個(gè)HSC產(chǎn)生于背主動(dòng)脈腹側(cè)壁【3,4】。鑒于人類HSC與血管內(nèi)皮細(xì)胞存在著緊密的時(shí)空聯(lián)系，并且共享一些表面標(biāo)志【4】，因此推測(cè)人類HSC與小鼠類似，均起源于生血內(nèi)皮細(xì)胞（hemogenic endothelial cell，HEC）【5】。目前研究認(rèn)為，HEC表達(dá)內(nèi)皮基因和生血特異的轉(zhuǎn)錄因子RUNX1，但不表達(dá)典型造血表面標(biāo)志如CD43和CD45【6,7】。HEC的特化是血管內(nèi)皮細(xì)胞選擇HSC命運(yùn)的關(guān)鍵步驟，然而，由于HEC數(shù)量稀少、發(fā)育過程轉(zhuǎn)瞬即逝，對(duì)于內(nèi)皮造血轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)HEC的精準(zhǔn)識(shí)別，成為造血發(fā)育研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
鑒于臨床的巨大需求和血液細(xì)胞來源有限性之間的矛盾，血液系統(tǒng)尤其是HSC的再生研究顯得尤為重要。研究者一直致力于利用多能干細(xì)胞高效誘導(dǎo)功能性HSC，但罕見成功的報(bào)道，表明對(duì)于HSC胚胎發(fā)生的時(shí)序特征及調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍有待深入，HSC的再生研究依然任重道遠(yuǎn)【8】。
2019年9月9日，解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心劉兵研究組與暨南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院蘭雨研究組合作在Cell Research雜志在線發(fā)表了題為Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing的研究論文。該研究在國(guó)際上首次從單細(xì)胞尺度闡述人胚第一個(gè)HSC發(fā)生全程的細(xì)胞層級(jí)、分子特征、細(xì)胞間相互作用，尤其依靠單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)篩選獲得高特異性的HEC標(biāo)志，精確解析了HEC靶向HSC命運(yùn)轉(zhuǎn)化的多個(gè)階段，為未來HSC再生提供重要的理論支持和策略指導(dǎo)。
作者首先利用高通量的10x Genomics單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序解析了人類胚胎HSC產(chǎn)生窗口時(shí)期背主動(dòng)脈的細(xì)胞群體，通過無偏頗特征分析，根據(jù)內(nèi)皮特征基因（CDH5，SOX7等）和造血轉(zhuǎn)錄因子RUNX1的表達(dá)鑒定出HEC群體，并初步篩選得到能夠識(shí)別HEC的表面標(biāo)志分子CD44。作者進(jìn)一步分選CD44 和CD44-內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行基于STRT（Single-cell Tagged Reverse Transcription sequencing）的高深度單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，證實(shí)CD44可將HEC群體富集效率提高10倍以上。作者發(fā)現(xiàn)這群存在于HSC產(chǎn)生時(shí)間窗的人胚AGM區(qū)HEC呈現(xiàn)出明確的動(dòng)脈特征，并且相比于動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞，高表達(dá)MYB，ANGPT1和IL1RL1，低表達(dá)傳統(tǒng)的動(dòng)脈基因CXCR4。現(xiàn)有研究報(bào)道，人胚AGM區(qū)HSC存在于CD45 CD34 的細(xì)胞群體中【3】。作者將AGM區(qū)CD45 CD34 細(xì)胞群體進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，捕獲到三類各具特征的造血干祖細(xì)胞（hematopoietic stem and progenitor cell，HSPC）。聯(lián)合動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞和HEC的分析，作者在轉(zhuǎn)錄組水平繪制出AGM區(qū)HSPC的發(fā)育路徑，識(shí)別了此過程中不同的基因表達(dá)模式，并且揭示了一類獨(dú)特的特異在HEC階段表達(dá)上調(diào)的基因，如EMCN、PROCR 和 RUNX1T1等（圖2）。值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)曾在2016年利用Procr高效識(shí)別小鼠胚胎期pre-HSC【9】（詳見BioArt報(bào)道：【五星推薦】周帆：《Nature》文章第一作者的科研心路歷程）。圖2. 人胚AGM區(qū)HSPC的發(fā)育路徑進(jìn)一步，作者還發(fā)現(xiàn)在更為早期的CS 10（妊娠后23天）胚體內(nèi)，存在著另一類缺乏動(dòng)脈特征的HEC群體。在斑馬魚和小鼠模型上已經(jīng)證實(shí)存在不同批次的造血活動(dòng)，包括不能產(chǎn)生HSC的瞬時(shí)定向造血【10,11】和產(chǎn)生HSC的永久定向造血，作者推測(cè)這類缺乏動(dòng)脈特征的HEC和HSC產(chǎn)生前的造血活動(dòng)相關(guān)（圖3）。最后，為了闡釋AGM區(qū)微環(huán)境成分對(duì)HEC產(chǎn)生的潛在作用，作者首先解析了背主動(dòng)脈微環(huán)境的細(xì)胞組成，進(jìn)一步利用受配體基因互作分析揭示了包括三類間質(zhì)細(xì)胞、上皮細(xì)胞、動(dòng)靜脈內(nèi)皮細(xì)胞等微環(huán)境群體與HEC之間潛在的細(xì)胞間相互作用。綜上所述，該工作首次在單細(xì)胞水平解析了人胚第一個(gè)HSC發(fā)生的細(xì)胞和分子事件（圖4）；結(jié)合對(duì)于不同類型HEC的甄別以及潛在微環(huán)境調(diào)控的認(rèn)識(shí)，這些發(fā)現(xiàn)將為人多能干細(xì)胞來源的HSC再生研究提供必要的理論支撐。圖4. 人類早期胚胎內(nèi)皮造血轉(zhuǎn)化過程及分子特征模式圖據(jù)悉，劉兵研究員和蘭雨研究員為該論文的通訊作者。曾揚(yáng)博士、博士研究生賀健，博士研究生柏志杰，李宗城博士為該研究論文的第一作者。解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心婦科卞麗紅主任和馬春雨醫(yī)生為該工作提供了大力支持。劉兵研究員
解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心（原軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院附屬醫(yī)院）研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向聚焦“基于造血干細(xì)胞發(fā)育規(guī)律建立再生新策略”，陸續(xù)取得多個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括：國(guó)際上首次在單細(xì)胞尺度實(shí)現(xiàn)人和小鼠造血干細(xì)胞發(fā)育全程的深度解析；闡明LncRNA在造血干細(xì)胞發(fā)生過程的重要作用；闡明造血干細(xì)胞起源的功能異質(zhì)性；揭示小鼠胚胎頭部是造血干細(xì)胞發(fā)育的新位點(diǎn)。近五年承擔(dān)國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目，入選國(guó)家科技部創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、萬人計(jì)劃等，以通訊作者在Nature、Cell Stem Cell、Cell Research、Blood 等雜志發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，其中4篇被F1000推薦。培養(yǎng)的博士研究生榮獲2016年度吳瑞獎(jiǎng)（The Ray Wu Prize）。蘭雨研究員
暨南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師。廣東省“珠江人才計(jì)劃”引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)帶頭人。研究方向：血管及血液系統(tǒng)發(fā)育。主要基于條件基因敲除及系列單細(xì)胞技術(shù)，開展血管及血液系統(tǒng)發(fā)育的規(guī)律及譜系研究，探索重要信號(hào)通路在血管及血液系統(tǒng)發(fā)育和疾病中的功能和機(jī)制。作為負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題，國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目課題、重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目等。通訊作者研究論文發(fā)表在Cell Stem Cell、Developmental Cell、Cell Research、Circulation Research、Blood 等雜志。論文引用1000余次，4篇第一/通訊作者研究論文被F1000推薦?？蒲谐晒@得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（2012年，排名第4）。造血干細(xì)胞（HSC）移植廣泛應(yīng)用于臨床,能夠治療包括血液腫瘤、血液遺傳缺陷、以及免疫缺陷等疾病。然而，天然HSC難以進(jìn)行精確基因編輯，來源也受到個(gè)體局限，加之?dāng)U增技術(shù)尚不成熟，嚴(yán)重限制了HSC移植在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。解決上述問題的理想途徑就是再生手段獲得可移植、有功能、免疫兼容的誘導(dǎo)型HSC （iHSC）。人類HSC再生，是世界性難題，迄今缺乏能夠被科學(xué)界廣泛重復(fù)和認(rèn)可的方法。這一技術(shù)瓶頸的背后是人類HSC發(fā)育起源信息的匱乏。HSC發(fā)生學(xué)是一個(gè)發(fā)育生物學(xué)上的極低概率事件（新生的HSC數(shù)量級(jí)在幾十個(gè)細(xì)胞以內(nèi)）。HSC發(fā)生伴隨著早期內(nèi)皮發(fā)育、多波早期造血發(fā)育等時(shí)空重疊事件，期間產(chǎn)生的各細(xì)胞類型間的作用關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。長(zhǎng)期以來，由于缺乏相應(yīng)技術(shù)手段和早期胚胎材料，導(dǎo)致科學(xué)家難以捕獲人類HSC發(fā)育的單細(xì)胞時(shí)空路徑。在利用一系列先進(jìn)的單細(xì)胞組學(xué)和功能技術(shù)系統(tǒng)揭示了小鼠第一個(gè)HSC發(fā)育早期的時(shí)空規(guī)律后，劉兵/蘭雨合作團(tuán)隊(duì)又開啟了人類HSC前世探索之旅。他們最近在Cell Research雜志在線發(fā)表的題為“Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing”的研究論文，利用先進(jìn)的單細(xì)胞測(cè)序和分析技術(shù)，把人類胚胎早期HSC發(fā)生學(xué)進(jìn)行了精確解析：（1）闡明了人類HEC的異質(zhì)性，并鑒定到特異標(biāo)記分子，將真正HEC富集度提高十倍以上；（2）揭秘了人類HEC（CXCR4low）不同于同期其它動(dòng)脈內(nèi)皮（CXCR4high）的分子特征；（3）首次繪制了人類HEC發(fā)育微環(huán)境調(diào)控分子圖譜，為體外再生iHSC提供重要參考。總之，這個(gè)研究為人類HSC再生提供了里程碑式的珍貴信息資源。劉兵/蘭雨合作團(tuán)隊(duì)的先進(jìn)技術(shù)平臺(tái)與積累，也為我國(guó)科學(xué)家在造血再生領(lǐng)域取得重大原創(chuàng)技術(shù)突破提供了重要支撐。錢鵬旭（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院）造血干細(xì)胞 (HSC) 通過維持自我更新和多能分化的精確平衡，在體內(nèi)產(chǎn)生各種類型的血液細(xì)胞，不僅可以用于維持生物體發(fā)育過程各個(gè)階段的造血系統(tǒng)功能，也被廣泛應(yīng)用于移植來治療包括血液、免疫、遺傳性疾病和惡性腫瘤等在內(nèi)的多種疾病【12】。因此，在體外獲得足夠數(shù)目、并擁有體內(nèi)造血重建能力的HSC被認(rèn)為是該領(lǐng)域的圣杯（Holy Grail）之一。針對(duì)此問題，目前的主要解決方案包括：（1）通過靶向特定基因或者信號(hào)通路對(duì)臍帶血HSC進(jìn)行擴(kuò)增（ex vivo Expansion）；（2）通過對(duì)體細(xì)胞自下而上進(jìn)行重編程獲得功能性HSC（Direct Conversion）；（3）通過誘導(dǎo)分化將胚胎干細(xì)胞（ESCs）或者誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSCs）自上而下分化成HSC（Directed Differentiation）【13】。然而到目前為止，尚無領(lǐng)域內(nèi)一致認(rèn)可的方法能夠產(chǎn)生跨代、多系、安全、穩(wěn)定造血重建的人源HSC。究其原因，主要在于對(duì)人早期胚胎造血發(fā)育過程，尤其是對(duì)人HSC胚胎發(fā)生的時(shí)序特征及調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)不清楚、不全面。 近年來科學(xué)家通過利用斑馬魚和小鼠模型，發(fā)現(xiàn)斑馬魚和小鼠的HSC起源于背主動(dòng)脈腹側(cè)壁（dorsal aorta, DA）的生血內(nèi)皮細(xì)胞（hemogenic endothelial cell，HEC）【3】。盡管之前的功能學(xué)和組織學(xué)研究證實(shí)人類胚胎的第一個(gè)HSC也產(chǎn)生于AGM區(qū)域，但是由于研究材料的稀缺和研究技術(shù)的缺乏，人的HSC是否也需要經(jīng)過內(nèi)皮造血轉(zhuǎn)化（endothelial-to-hematopoietic transition，EHT）尚不清楚。近年來隨著單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們擁有了對(duì)單細(xì)胞水平展開研究的手段，有助于理解不同系統(tǒng)的發(fā)育過程、發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞亞群【14】。2016年，解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心劉兵研究組、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬研究組和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院天津血液病醫(yī)院（血液學(xué)研究所）袁衛(wèi)平研究組在Nature雜志發(fā)表長(zhǎng)文，首次在國(guó)際上從單細(xì)胞水平系統(tǒng)、深入地解析了小鼠HSC形成和特化過程中的關(guān)鍵特征和分子機(jī)制，引起國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和一致好評(píng)【9】。近日，解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心劉兵研究組與暨南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院蘭雨研究組合作在Cell Research雜志在線發(fā)表了題為“Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing”的研究論文，將該合作團(tuán)隊(duì)在小鼠HSC的工作進(jìn)一步推向人HSC的研究，通過高深度單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序在國(guó)際上首次鑒定出人胚HSC產(chǎn)生過程中的關(guān)鍵HEC群體，同時(shí)具有明顯的動(dòng)脈內(nèi)皮和造血特征，并首次報(bào)道CD44是識(shí)別人HEC的表面分子標(biāo)志物，在競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的該領(lǐng)域拔得頭籌。該合作團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了人AGM區(qū)3種不同特征的造血干祖細(xì)胞（hematopoietic stem and progenitor cell，HSPC），并進(jìn)而繪制出這些細(xì)胞的發(fā)育路徑和分子特征。斑馬魚和小鼠中的研究提示造血系統(tǒng)發(fā)育過程中在不同區(qū)域會(huì)出現(xiàn)批次性的發(fā)育情況（Multiple Waves of Hematopoiesis）【5】。劉兵/蘭雨合作團(tuán)隊(duì)通過對(duì)更早期人胚樣品的采集和分析，發(fā)現(xiàn)更為早期的CS 10（妊娠后23天）階段的HEC群體缺乏動(dòng)脈特征，和較晚期的CS 12-15階段的HEC群體存在明顯的不同，對(duì)人胚HSC發(fā)育理論做出了重要的補(bǔ)充。另外，目前誘導(dǎo)人ESCs或者iPSCs之所以不能產(chǎn)生HSC，其根源可能在于長(zhǎng)期忽略對(duì)動(dòng)脈特征的調(diào)節(jié)作用，因此通過激活分化過程中動(dòng)脈特征基因的表達(dá)，是產(chǎn)生能夠多系造血重建人源HSC的關(guān)鍵所在。在論文的最后，該合作團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性的分析了人AGM區(qū)微環(huán)境細(xì)胞的分類，以及微環(huán)境細(xì)胞與上皮細(xì)胞、動(dòng)靜脈內(nèi)皮細(xì)胞、造血細(xì)胞之間的受配體基因互作關(guān)系，進(jìn)一步闡釋人AGM區(qū)微環(huán)境成分對(duì)HEC產(chǎn)生的潛在分子機(jī)制。劉兵/蘭雨合作團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究工作，解決了人胚HSC樣本搜集、處理過程中的一系列技術(shù)難題，不僅在國(guó)際上首次從單細(xì)胞水平解析了人胚HSC發(fā)生的細(xì)胞和分子特征，還系統(tǒng)性的比較了人胚不同階段HEC、HSPC（CS 10-15）的區(qū)別，以及人AGM微環(huán)境細(xì)胞與其他細(xì)胞的關(guān)系。因此，這項(xiàng)工作是本領(lǐng)域中的一個(gè)里程碑式的研究，對(duì)于在體外獲得造血重建能力的HSC有著極其重要的理論指導(dǎo)意義和潛在的價(jià)值。https://www.nature.com/articles/s41422-019-0228-61.Ivanovs, A., et al., Highly potent human hematopoietic stem cells first emerge in the intraembryonic aorta-gonad-mesonephros region. J Exp Med, 2011. 208(12): p. 2417-27.2.Ivanovs, A., et al., Human haematopoietic stem cell development: from the embryo to the dish. Development, 2017. 144(13): p. 2323-2337.3.Rybtsov, S., et al., Tracing the origin of the HSC hierarchy reveals an SCF-dependent, IL-3-independent CD43(-) embryonic precursor. Stem Cell Reports, 2014. 3(3): p. 489-501.4.Tavian, M., et al., Aorta-associated CD34 hematopoietic cells in the early human embryo. Blood, 1996. 87(1): p. 67-72.5.Zovein, A.C., et al., Fate tracing reveals the endothelial origin of hematopoietic stem cells. Cell Stem Cell, 2008. 3(6): p. 625-36.6.Chen, M.J., et al., Runx1 is required for the endothelial to haematopoietic cell transition but not thereafter. Nature, 2009. 457(7231): p. 887-91.7.Swiers, G., et al., Early dynamic fate changes in haemogenic endothelium characterized at the single-cell level. Nat Commun, 2013. 4: p. 2924.8.Zambidis, E.T., et al., Hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells progresses through sequential hematoendothelial, primitive, and definitive stages resembling human yolk sac development. Blood, 2005. 106(3): p. 860-70.9.Zhou, F., et al., Tracing haematopoietic stem cell formation at single-cell resolution. Nature, 2016. 533(7604): p. 487-92.10.Bertrand, J.Y., et al., Definitive hematopoiesis initiates through a committed erythromyeloid progenitor in the zebrafish embryo. Development, 2007. 134(23): p. 4147-56.11.McGrath, K.E., et al., Distinct Sources of Hematopoietic Progenitors Emerge before HSCs and Provide Functional Blood Cells in the Mammalian Embryo. Cell Rep, 2015. 11(12): p. 1892-904.12.Orkin, S.H. and L.I. Zon, Hematopoiesis: an evolving paradigm for stem cell biology. Cell, 2008. 132(4): p. 631-44.13.Vo, L.T. and G.Q. Daley, De novo generation of HSCs from somatic and pluripotent stem cell sources. Blood, 2015. 125(17): p. 2641-8.14.Tang, F., et al., mRNA-Seq whole-transcriptome analysis of a single cell. Nat Methods, 2009. 6(5): p. 377-82.
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
