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來源：Cell Regen編輯部
造血干／祖細胞（Hematopoietic Stem/Progenitor Cell, HSPC）是產(chǎn)生人體整個血液免疫系統(tǒng)的干細胞群體，在重大疾病的發(fā)生、發(fā)展、治療中都發(fā)揮重大作用。在人體發(fā)育的各個階段，包括胚胎初期，到出生、成年等都有符合各自發(fā)育階段特征的HPSCs產(chǎn)生，比如胚胎早期卵黃囊存在的多潛能HSPCs，AGM期、胎肝等的HSCs，出生后的臍血HSCs及骨髓HSCs等。然而，處于人體發(fā)育各個時期的HSPCs的潛能特性及決定機制尚不明確，限制了人造血干細胞的研究進展。
近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院的潘光錦團隊在Cell Regeneration上發(fā)表了題為“Characterization of gene regulatory networks underlying key properties in human hematopoietic stem cell ontogeny”的研究文章。研究通過分析人體不同發(fā)育階段的HSPCs單細胞轉(zhuǎn)錄組（singel cell RNA sequencing, scRNA-seq）數(shù)據(jù)，解析了人不同發(fā)育階段HSPCs各自的潛能特性及發(fā)育演變規(guī)律，并進一步挖掘出控制人HSPCs淋系潛能、自我更新等關(guān)鍵特性的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（Gene regulatory network, GRN）及關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。該研究還解析了人誘導(dǎo)多能干細胞（hiPSCs）體外分化的HSPCs（iHSPCs）的潛能特征，并通過導(dǎo)入上述淋系關(guān)鍵調(diào)控因子增強了iHSPCs的功能。該研究系統(tǒng)研究了人HSPCs發(fā)育過程中的潛能特性演變規(guī)律及決定網(wǎng)絡(luò)，對于了解和操控人HSPCs提供了有力的理論指導(dǎo)。
研究團隊選取了來自人體不同發(fā)育階段的造血干／祖細胞，包括胚胎期卵黃囊（Yolk Sac, YS）、主動脈-性腺-中區(qū)（Aorta-Gonad-Mesonephros, AGM）、胎肝（Fetal Liver, FL）、臍帶血（Umbilical Cord-Blood, UCB）和經(jīng)骨髓動員后的外周血（Peripheral Blood, PB）中HSPC的scRNA-seq數(shù)據(jù)，整合在一起得到不同發(fā)育階段HSPC的基因圖譜。與之前其他研究相符，在所有來源的HSPC中，被公認(rèn)為造血干／祖細胞的特征基因均一致高表達，而其他成熟血液譜系標(biāo)記物均不表達。進一步的擬時序分析提取到了HSPC發(fā)育過程中四種表達模式的基因群，分別與代謝、生物合成、譜系潛能、免疫功能相關(guān)，揭示了這些重要的生物學(xué)功能在HSPC發(fā)育的進程中存在著不同的變化規(guī)律。
人體不同發(fā)育階段HSPC的不同特性
團隊進一步研究了不同階段HSPC的具體代謝特征，發(fā)現(xiàn)胚胎時期的HSPC比產(chǎn)后的HSPC具有更高的代謝活性。這一點也可以由PI3K-AKT-mTOR和MYC通路的早期高活躍互相印證。早期的高代謝水平可能是為了適應(yīng)HSPC在胚胎時期的快速增殖。隨著發(fā)育進展，UCB和PB的HSPC的代謝類型逐漸由氧化磷酸化向糖酵解轉(zhuǎn)變，AMPK通路到活性也逐漸提高。這些變化可能與后期HSPC到靜息狀態(tài)維持有關(guān)。
人體不同發(fā)育階段HSPC的代謝特征
研究還發(fā)現(xiàn)不同發(fā)育階段的HSPC存在著不同的免疫譜系分化傾向。橫向來看，髓系潛能在FL和UCB的HSPC中最為突出，淋系潛能在PB的HSPC中最明顯?？偟膩碚f，UCB的HSPC展示出最明顯全面的HSC特征。并且，在不同的發(fā)育階段，人HSPC有不同的免疫策略。以RNAi通路為代表的固有免疫在早期HSPC中更活躍，而干擾素反應(yīng)代表的適應(yīng)性免疫則在后期HSPC中更活躍。MHC類基因只有從FL的HSPC中才開始表達。相反，早期的HSPC高表達免疫逃逸基因。
不同發(fā)育階段HSPC的不同譜系潛能
為進一步探究控制上述HSPC關(guān)鍵特性背后的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研究團隊繪制了HSPC的調(diào)控因子圖譜。根據(jù)相似性劃分出的6個調(diào)控因子模塊分別調(diào)控不同的功能，發(fā)現(xiàn)不同階段的HSPC，不同調(diào)控模塊展現(xiàn)出不同的活性。其中，HSC的自我更新能力主要受到模塊4的調(diào)控。FL的HSPC具有最強的模塊4活性，預(yù)示著其自我更新能力最強；模塊5主要調(diào)控氧應(yīng)答和代謝，與前文結(jié)論一致，其在發(fā)育早期的HSPC有較強活性；淋系潛能與HSPC的成熟密切相關(guān)，主要受模塊3調(diào)控。
基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)調(diào)控HSPC差異特性
研究團隊此前已經(jīng)成功將人iPSCs分化為具有多向分化潛能的iHSPC。為了進一步優(yōu)化這些iHSPC的體外分化體系，研究者將iHSPC的scRNA-seq數(shù)據(jù)與體內(nèi)來源HSPC數(shù)據(jù)合并分析。研究發(fā)現(xiàn)iHSPC各功能都更接近于早期HSPC，特別是其分化潛能也表現(xiàn)出較高的紅系／巨核細胞潛能和較低的淋巴潛能。
iHSPC與發(fā)育早期HSPC更相近
基于iHSPC淋系潛能不足的特征，研究者進一步探究是否可以通過調(diào)控上述篩選出的關(guān)鍵調(diào)控因子來促進iHSPC功能的完善。研究者選擇了其中6個與淋系功能相關(guān)且在iHSPC中低表達的TF分別構(gòu)建了過表達的iPSCs細胞系，并成功分化獲得了TF過表達的iHSPC。隨后，研究者通過與基質(zhì)細胞共分化的方法檢測了這些iHSPC的淋系分化潛能，發(fā)現(xiàn)過表達FOS、IKZF1、KLF9后的iHSPC均可以促進NK細胞和T細胞的生成。以上實驗結(jié)果驗證了通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)篩選的淋系潛能相關(guān)TF的增強HSPC淋系分化能力的作用。
關(guān)鍵TF的表達完善了iHSPC功能
綜上所述，研究解析了人體不同發(fā)育階段HSPC包括代謝特征、分化潛能在內(nèi)的多種特性的動態(tài)變化圖譜，并描繪出了這些關(guān)鍵特征背后的潛在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。更有意義的是，繪制的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可以為iHSPC功能的進一步完備提供理論支撐。
Cite this article：
Li, F., Zhu, Y., Wang, T. et al. Characterization of gene regulatory networks underlying key properties in human hematopoietic stem cell ontogeny. Cell Regen 13, 9 (2024). https://doi.org/10.1186/s13619-024-00192-z
通訊作者：
潘光錦，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員。潘光錦團隊以研究人多能干細胞命運轉(zhuǎn)變調(diào)控、高效獲得具有潛在應(yīng)用價值的功能細胞為主要目標(biāo)，相關(guān)研究成果以通訊（含共同）作者身份發(fā)表在Nature Methods、Cell Stem Cell、Nature Communication等國際知名期刊上。