李凌衡課題組發現造血干細胞骨髓微環境調控新機制

　　造血干細胞（HSC）微環境對HSC的功能維持和損傷修復有至關重要的調控作用。然而由于骨髓微環境構成的復雜性，HSC骨髓微環境的研究領域一直存在眾多爭議。美國Stowers研究所李凌衡及David Scadden兩課題組最早發現骨內膜區域的成骨（或其前體）細胞【1, 2】，Sean Morrison 和Paul Frenett兩課題組隨后發現大量的HSC定位在骨髓內不而不是骨內膜區域，并且多個課題組的研究表明骨髓中央的血管、神經、間充質干細胞甚至成熟的血液細胞如巨核細胞【3】都可以作為HSC的微環境對其發揮調控作用【4, 5】。然而眾多的骨髓微環境細胞如何對HSC進行功能調控還不清楚：不同的骨髓微環境細胞很可能調控了不同的HSC亞群【6-8】。

李凌衡教授在2018年深圳華人生物學家大會

　　1月15日，Cell Reports雜志發表了美國Stowers研究所李凌衡課題組的論文，題為N-cadherin-Expressing Bone and Marrow Stromal Progenitor Cells Maintain Reserve Hematopoietic Stem Cells（https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.12.093）。在這項最新的研究中，研究團隊解析了不同HSC亞群的微環境調控機制。

　　本研究首先通過表面分子標記物的篩選結合骨髓移植等功能實驗發現了兩種不同的HSC功能亞群，數量上占少數的Reserve (儲備) HSC (rHSC) 亞群和占多數的Primed (激活前態) HSC (pHSC )亞群。雖然rHSC和pHSC都有正常的造血功能，在骨髓移植模型中可以支持小鼠造血40周以上，然而rHSC可以產生出pHSC，pHSC卻很少產生rHSC。團隊進一步發現rHSC對化療藥物有更強的抗性：在化療刺激下大量的pHSC死亡，而rHSC卻可以存活下來進一步產生出pHSC，完成血液系統的損傷修復。

　　研究團隊發現rHSC和pHSC在骨髓中定位于不同的微環境區域: 占大多數的pHSC定位骨髓中的血管微環境，而且rHSC更傾向于定位在骨內膜區域，特別是靠近表達N-cadherin的間質細胞。表達N-cadherin的細胞是最早發現的HSC微環境細胞【1】，但其細胞特性一直不清楚。

　　研究團隊通過N-cadherin的熒光報告小鼠和譜系追蹤等體內實驗，首次證明了N-cadherin表達的細胞為具有成骨、軟骨和脂肪分化能力的間充質（或骨骼）干細胞，并且通過條件性敲除小鼠模型證明，表達N-cadherin的骨髓間充質細胞通過分泌SCF等因子來維持rHSC的干性，特別是對rHSC在化療損傷后的修復起重要作用。

　　此項研究為理解骨髓微環境構成的復雜性奠定了基礎：HSC骨髓復雜的微環境構成可能來源于不同的HSC功能亞群對不同的微環境信號的需求。該論文將有助于解決關于造血干細胞的微環境的長期爭論。

　　 正如古印度盲人摸象的故事：綜合來說，早期骨內表面造血干細胞的微環境假說以及后期血管周邊細胞造血干細胞的微環境假說如同觸及了部分象身，得到了部分正確的結論； 而本研究全面闡述并總結了不同骨髓微環境細胞群（Niche），從而得到“全象”信息。 正常情況下，由血管周邊細胞造血干細胞微環境維持的pHSCs起主要作用； 但在應急情況下，諸如化療，放療，炎癥引起血液以及造血細胞（包括pHSCs）大量缺失，位于骨表面的rHSCs將在應急情況下干細胞群恢復和隨后的造血系統重建起主要作用。

　　在細胞水平，無論是位于血管周邊的Nestin， LepR， 或 CAR陽性細胞， 還是骨表面N-cadherin陽性細胞都有間充質干細胞或骨骼干細胞的特性。而且，由N-cadherin誘導的譜系追蹤，可檢測到Nestin， LepR， 或 CAR陽性細胞。

　　所有這些關于造血干細胞的微環境（Niche）的研究將為其它，例如仍處于相對早期研究階段的腸道干細胞Niche的研究，提供有啟發性的先例。另外，我們還發現N-cadherin陽性細胞不僅在小鼠，而且在人體中，也具有間充質干細胞或骨骼干細胞的特性： 即可產生成骨細胞和軟骨細胞。 因此N-cadherin可作為標記，用來有效地分離和鑒定間充質干細胞或骨骼干細胞，在骨和軟骨的再生醫學中將會有廣泛的應用。

圖為李凌衡教授在2018年深圳華人生物學家大會上干細胞分會場做造血干細胞骨髓微環境調控報告

　　據悉，作為共同第一作者的趙萌和陶芳分別對區分rHSC和pHSC亞群以及證明N-cadherin表達的間充質細胞為具有成骨、軟骨和脂肪分化能力的間充質（或骨骼）干細胞作出重要貢獻（詳細請見后面介紹）。何曦對N-cadherin的功能研究有重要貢獻。Aparna Venkatraman對不同Niche細胞進行了表達圖譜分析。堪薩斯大學的王進喜教授指導了陶芳證明N-cadherin陽性細胞向軟骨分化的潛能。

　　參考文獻

　　1. Zhang J, Niu C, Ye L, Huang H, He X, Tong WG, et al. Identification of the haematopoietic stem cell niche and control of the niche size. Nature. 2003；425(6960):836-41.

　　2. Calvi LM, Adams GB, Weibrecht KW, Weber JM, Olson DP, Knight MC, et al. Osteoblastic cells regulate the haematopoietic stem cell niche. Nature. 2003；425(6960):841-6.

　　3. Zhao M, Perry JM, Marshall H, Venkatraman A, Qian P, He XC, et al. Megakaryocytes maintain homeostatic quiescence and promote post-injury regeneration of hematopoietic stem cells. Nat Med. 2014；20(11):1321-6.

　　4. Wei Q, and Frenette PS. Niches for Hematopoietic Stem Cells and Their Progeny. Immunity. 2018；48(4):632-48.

　　5. Morrison SJ, and Scadden DT. The bone marrow niche for haematopoietic stem cells. Nature. 2014；505(7483):327-34.

　　6. Pinho S, Marchand T, Yang E, Wei Q, Nerlov C, and Frenette PS. Lineage-Biased Hematopoietic Stem Cells Are Regulated by Distinct Niches. Dev Cell. 2018.

　　7. Jiang L, Han X, Wang J, Wang C, Sun X, Xie J, et al. SHP-1 regulates hematopoietic stem cell quiescence by coordinating TGF-beta signaling. The Journal of experimental medicine. 2018.

　　8. Itkin T, Gur-Cohen S, Spencer JA, Schajnovitz A, Ramasamy SK, Kusumbe AP, et al. Distinct bone marrow blood vessels differentially regulate haematopoiesis. Nature. 2016；532(7599):323-8.