血液作為生命的河流，源源不斷地為機體提供營養物質和免疫保護。作為血液源頭的造血干細胞，具有自我更新和多向分化的能力，不僅能夠維持機體的終身造血，也是惡性血液疾病移植治療的重要細胞來源【1,2】。但是，造血干細胞來源不足卻是限制其推廣的瓶頸。如何擴增足夠數量的功能性造血干細胞，一直是基礎科學研究的難點和熱點之一。在脊椎動物胚胎發育過程中，胎肝是造血干細胞擴增的天然場所。在這里造血干細胞進行快速的擴增，并能保持較強的干性【3,4】。全面、系統、立體化地解析這一擴增性造血器官，將為體外擴增造血干細胞提供理論指導。
2021年8月2日，中國科學院動物研究所劉峰團隊和北京大學生命科學學院李程團隊合作在Cell Research 雜志發表題為Identification of HSC/MPP expansion units in fetal liver by single-cell spatiotemporal transcriptomics的研究論文。該論文利用單細胞轉錄組和空間轉錄組聯合分析的方法，繪制了小鼠胎肝發育的單細胞時空轉錄組圖譜，解析了造血干/祖細胞的轉錄組和功能異質性，鑒定了造血干細胞擴增的功能單元（HSC ‘pocket-like’ units, HSC PLUS）并揭示其分子機制。
首先，研究人員通過單細胞轉錄組測序技術，繪制了胎肝血細胞和微環境細胞發育的轉錄組圖譜，解析了造血干/祖細胞和微環境細胞的轉錄組動態變化。通過對造血干/祖細胞的深入解析，研究人員發現CD93不僅可以富集干性較強的造血干/祖細胞，還是造血干/祖細胞發育的調控因子。隨后，研究人員使用CellPhoneDB方法構建了微環境細胞和造血干/祖細胞的互作調控網絡，鑒定了潛在的促擴增分子，如生長因子MDK和PTN等。為了驗證互作的細胞和配對信號分子的空間關系，研究人員繪制了胎肝的空間轉錄組圖譜。利用空間轉錄組數據具有空間坐標的特征，研究人員將微環境細胞和與造血干/祖細胞的空間關系分為Intra-spot（關系最為密切）、Inter-spot（關系第二密切）和Others（關系疏遠）三類。通過定性和定量分析，研究人員發現巨噬細胞高度富集在造血干/祖細胞周圍，并且具有相鄰關系的巨噬細胞和造血干/祖細胞分別表達互作分子對中的配體和受體。與此同時，免疫熒光實驗數據顯示巨噬細胞可以形成“口袋狀”結構包圍造血干/祖細胞，功能數據顯示巨噬細胞及其分泌生長因子的促擴增作用。即擴增的造血干/祖細胞處于巨噬細胞和生長因子富集的HSC PLUS。眾所周知，細胞是機體的最小功能單元，其次是組織/器官，研究人員發現細胞和組織/器官之間存在細胞行為的特定功能單元，即造血干細胞擴增的基礎功能單元（HSC PLUS）。最后，通過將小鼠胎肝和人胎肝的單細胞轉錄組數據比對分析，研究人員發現在人胎肝中也存在保守的擴增結構和分子機制。以上述高通量組學數據為基礎，研究人員搭建了數據交互網站http://liulab.ioz.ac.cn/fetal_liver/，可以檢索基因的時空表達譜，包括細胞類型以及空間位置等。
綜上所述，該研究首次繪制了小鼠胎肝發育的單細胞時空轉錄組圖譜，鑒定了造血組織功能單元（HSC PLUS），不僅加深了我們對體內造血干細胞擴增方式的理解，擴充了我們對組織功能單元的認識，也為體外擴增造血干細胞提供了更多線索。
中國科學院動物研究所博士研究生高素偉和北京大學生命科學學院石強博士為本文共同第一作者，中國科學院動物研究所劉峰研究員和北京大學生命科學學院李程研究員為本文共同通訊作者。
胎肝造血干細胞擴增功能單元示意圖