造血干細胞具有自我更新和分化的生物學特征,既可以維持其自身在造血組織中的恒定數量,又能向紅系、粒系、巨核系和淋巴系等多種血細胞分化。造血干細胞移植廣泛應用于白血病、再生障礙性貧血、骨髓增生異常綜合征等臨床血液系統惡性腫瘤的治療,然而,造血干細胞來源不足,限制其廣泛應用。因此,如何模擬體內造血干細胞擴增并實現臨床轉化應用備受關注。
斑馬魚造血干/祖細胞(Hematopoietic stem/progenitor cells,HSPCs)擴增和分化的重要場所是尾部造血組織(Caudal hematopoietic tissue,CHT)。CHT是高度血管化的微環境結構,包括尾部主動脈、尾部主靜脈、尾部靜脈血管叢(Caudal vein plexus,CVP)以及大量的成纖維網狀細胞和多種血細胞。其中,各個組分的有序及精細的調控對微環境的穩態維持至關重要。中國科學院動物研究所劉峰研究組前期已利用多維多重轉錄組技術,系統闡釋了造血干細胞和微環境細胞之間的分子調控網絡。然而,對造血干細胞擴增和分化的時間區段內,血管微環境的細胞復雜性、功能可塑性及動態協同發育過程的研究較為有限。
3月30日,劉峰研究組在PNAS上發表研究論文A single-cell resolution developmental atlas of hematopoietic stem and progenitor cell expansion in zebrafish。該研究描繪了擴增性造血組織的動態單細胞發育圖譜,深入解析了造血干細胞擴增的細胞基礎和分子機制。
利用單細胞轉錄組測序技術,研究選取3個造血干細胞發育的重要時間點(55hpf、3.5hpf、4.5hpf)對斑馬魚尾部造血組織28777個細胞(包含HSPCs、內皮細胞及非內皮/HSPCs細胞)進行深入分析。首先,研究鑒定出斑馬魚尾部造血組織不同分化傾向性的HSPCs和各譜系血細胞。其次,通過對CHT微環境成分的深入解析,研究發現CHT存在動態發育過程,即微環境細胞協同HSPCs發育。研究還鑒定了一群特殊的促擴增內皮細胞和其特異的微環境因子Gpr182。斑馬魚體內功能實驗證明,Gpr182可以促進HSPCs在尾部造血組織的擴增,并且Gpr182的功能在小鼠中是保守的。最后,通過將斑馬魚尾部造血組織和人胎肝的單細胞數據進行比對分析,研究發現二者在進化上具有保守的細胞類群基因表達,而其差異性則體現在細胞類型組成和HSPC的轉錄組特征,即斑馬魚的擴增性造血組織的HSPC更能適應溫度變化,人胎肝中的HSPC具有更強的免疫特征。上述結果暗示了造血干細胞對環境的適性進化。
該研究對斑馬魚擴增性造血組織的動態發育、造血干細胞擴增的細胞學基礎提出了更有深度的理解,為HSPCs的體外高效擴增提供了新的理論指導。
單細胞轉錄組測序解析斑馬魚尾部造血組織。在3個造血干細胞發育的重要時間點(55hpf、3.5hpf、4.5hpf)對尾部造血組織的細胞(包含造血干/祖細胞、內皮細胞及非內皮造血干/祖細胞)進行深入分析。從中鑒定了不同分化潛能的造血干/祖細胞,建立了復雜有序的微環境細胞和HSPC的互作網絡,發現了一群特殊的促擴增內皮細胞和特異表達因子Gpr182。通過對斑馬魚尾部造血組織和人胎肝造血發育的進化分析,發現了造血干細胞在不同物種中的轉錄組特征存在異同。
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