追踪人类胚胎中第一个造血干细胞(HSC)的出现,特别是其罕见的前体,迄今为止具有挑战性,主要是由于技术限制和材料稀缺性。2019年9月9日,军事医学科学院刘兵及暨南大学兰雨共同通讯在Cell Research 在线发表题为“Tracing the first hematopoietic stem cell generation inhuman embryo by single-cell RNA sequencing”的研究论文,该研究使用单细胞RNA测序,构建了第一个基因组规模的基因表达景观,涵盖了人类胚胎发生过程中从内皮细胞到HSC转换的整个过程。总而言之,该研究解析了人类胚胎中HEC产生第一个HSC的细胞和分子程序,以及区分HSC引发的HEC与其他HEC的能力,这将阐明从多能干细胞产生临床上有用的HSC的提供重要参考意义。


暨南大学等首次揭示人胚胎中的首个造血干细胞生成过程


造血干细胞(HSC)通过自我更新和分化产生所有血液谱系并在个体的整个寿命期间永久维持成体造血系统。尽管在发育过程中HSCs的个体发育已经在包括斑马鱼和小鼠在内的动物模型中进行了广泛研究,但鉴于人类胚胎组织的可及性有限,人类胚胎中的基因调控尚不清楚。通过异种移植的功能评估,据报道人类HSC在多个胚胎部位中依次检测到。长期多谱系再生的HSC首先在Carnegie阶段(CS)(性交后32天,dpc)的主动脉 - 性腺 - 中肾(AGM)区域中检测到。第一个人类HSC表现出CD34 + CD144 + CD45 + KIT + CD90的+ Endoglin + RUNX1 + CD38- / loCD45RA-,类似于胚胎肝脏或脐带血中的那些表型。胚胎肝脏中HSC的是胚胎发生过程中HSC扩增的主要器官。


暨南大学等首次揭示人胚胎中的首个造血干细胞生成过程

人CS13背主动脉(DA)中不同细胞群的转录组学鉴定和HEC的捕获


在组织学上,第一个HSCs被认为位于主动脉内-主动脉造血簇(IAHCs)内,主要位于人类胚胎背侧主动脉的腹壁上。鉴于新兴HSCs中多种内皮细胞标志物的表达,人们普遍提出人类HSC来自血液生成内皮细胞(HECs),这是一种特定的具有造血潜能的内皮细胞谱系。迄今为止,关于人胚胎中HSC引发的HEC的发育动力学和分子身份知之甚少。


暨南大学等首次揭示人胚胎中的首个造血干细胞生成过程

从CS 12/13/14胚胎中捕获和进一步分析CD44 + EC中的HEC


关于产生造血干祖细胞(HSPCs)的HEC的发展路径,大多数提出的观点是建立在人多能干细胞(PSCs)的体外分化系统上,但仍未能有效和可靠地产生功能性HSCs。 AGM区域的HSC发育需要来自周围生态位细胞的信号,包括至少亚主动脉间充质细胞。AGM生态位的细胞和分子成分主要是用动物模型进行研究,显示BMP和SCF信号的假定参与,两者都主要分布于亚主动脉间充质的腹侧部分。有趣的是,以前的研究有通过瞬时表达四种TF与内皮细胞饲养依赖性诱导相结合,描述了从成体小鼠内皮细胞到HSC的成功重编程,强调了血管生态位衍生的血管分泌因子在HSCs生成中的作用。


暨南大学等首次揭示人胚胎中的首个造血干细胞生成过程

显示人早期胚胎内皮 - 造血转换(EHT)过程的示意图


单细胞转录分析已被广泛用于破译发育事件,它显示了捕获瞬时和稀有细胞群的独特优势。该研究使用单细胞RNA测序,构建了第一个基因组规模的基因表达景观,涵盖了人类胚胎发生过程中从内皮细胞到HSC转换的整个过程。


转录组定义的HSC引发的血液内皮细胞(HECs)以无偏见的方式在Carnegie阶段(CS)12-14被捕获,显示出动脉内皮细胞(EC)的明确特征,具有RUNX1,MYB和ANGPT1的上调。重要的是,将CD34 +CD45-EC亚组分为CD44 +群体,使HEC显著增加10倍以上。该研究进一步绘制了从动脉EC通过HSC引发的HEC到造血干祖细胞的发育路径,并揭示了在动脉内皮细胞(EC)的血液命运选择(包括EMCN,PROCR和RUNX1T1)上短暂过度表达的基因的独特表达模式。有趣的是,该研究还发现了另一个时间上和分子上不同的胚胎内HEC群体,其主要在早期Carnegie阶段10中检测到并且缺乏动脉特征。最后,该研究揭示了假定的主动脉壁龛的细胞成分和作用于HSC引发的HEC的潜在细胞相互作用。


总而言之,该研究解析了人类胚胎中HEC产生第一个HSC的细胞和分子程序,以及区分HSC引发的HEC与其他HEC的能力,这将阐明从多能干细胞产生临床上有用的HSC的提供重要参考意义。


研究背景


造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)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(Carnegie stage,CS)14(妊娠后32天)最早出现在主动脉-性腺-中肾(aorta–gonad–mesonephros,AGM)区域。与胎肝和脐带血中HSC类似,AGM区的HSC也具有CD45+CD34+表型(图1)。


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。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,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)。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。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。


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


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