程辉/程涛/周波/刘兵合作揭示人造血干细胞最早定植骨髓的时间点和微环境特征

在胎儿发育期间，人类造血干细胞(Hematopoietic stem cells, HSCs)定植于骨髓(bone marrow, BM)，在那里它们自我更新，并在整个生命中维持造血。然而，造血干细胞植入骨髓的确切时间点尚不清楚。

2022年11月3日，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程辉、程涛团队、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周波团队、解放军总医院第五医学中心刘兵团队合作在Cell Stem Cell 杂志在线发表题为 “Uncovering the emergence of HSCs in the human fetal bone marrow by single cell RNA-seq analysis ”的封面文章，该研究绘制了造血干细胞/祖细胞及其在人类胚胎骨髓中微环境的转录组图，解码了人类胎儿BM中的第一个功能性造血干细胞的定植时间点、分子特征及其与微环境细胞的相互作用。这项工作为研究人胎BM中HSC定植的潜在机制铺平了道路，并为未来研究HSC的发展提供了宝贵的资源。

造血干细胞(HSCs)在妊娠中期胚胎发生期间出现，并有能力重新填充成人造血系统。造血干细胞的发育已在小鼠和斑马鱼等动物模型中被广泛研究。在小鼠中，造血干细胞最初在胚胎第10.5天(embryonic day 10.5, E10.5)在主动脉-性腺-中肾(aorta-gonad-mesonephros, AGM)区域产生。然后，它们被释放到循环的血液中，并在E11.5时逐渐迁移到胎儿肝脏，在那里它们急剧膨胀。最后，它们迁移并定植于E15.5处的胎儿脾脏和E16.5-E17.5处的胎儿骨髓。

在人类中，最早的造血干细胞可以在卡内基分期(Carnegie stage, CS) (将胚胎从受孕到60天(8周)的发育阶段分为23个阶段) 14 (妊娠后32天)的AGM区域被检测到，并至少持续到CS 17 (妊娠后41天)，以提供长期的多谱系繁殖。CS 17后，可移植的造血干细胞在胚胎肝脏中定植，并在那里扩张和成熟。免疫组织学和体外研究表明，人类胚胎BM中大约在受孕后10.5周(postconception weeks, PCWs)出现造血祖细胞。然而，仍然缺乏功能性证据，并且功能性造血干细胞在人胎骨髓上定植的确切时间点仍然未知。

此外，这些造血干细胞调控的内在和外在机制仍有待阐明，这不仅是破译人类胎儿造血完整图谱的主要障碍，也是理解造血干细胞相关新生儿疾病的病理过程的主要障碍。造血微环境又称作造血干细胞龛（niche），由多种细胞及其产生的细胞外黏附分子和细胞因子构成。Niche细胞通过分泌重要的细胞因子如CXCL12和SCF来调节HSC的功能。然而，在胚胎BM中调节HSC种子和发育微环境组成和机制仍有待阐明。

为了填补对人类胚胎骨髓造血干细胞出现的理解中的这些重要空白，研究人员首先利用高通量10x Genomics单细胞转录组测序(scRNAseq)解析了人类胚胎骨髓（10-14周）和脾脏（12-14周）造血干/祖细胞及其造血微环境群体。虽然在骨髓和脾脏中均检测到了免疫表型和转录组定义的HSC/多潜能祖细胞（MPP），然而免疫缺陷鼠移植实验证实，真正具有长期多系造血重建能力的HSC直到12周才出现在骨髓中，相反，12-14周的脾脏均未检测到功能性的HSC。

为了阐明最早定植于胚胎骨髓的HSC分子特征，研究人员整合多个发育阶段的HSC/MPP单细胞测序数据，发现与成体骨髓中的HSC/MPP相比，胎髓HSC/MPP高表达cell-ECM互作的基因，并且在早期胚胎骨髓（10-14周）的HSC/MPP中表现更为显著，提示该过程可能参与HSC的骨髓定植。

有趣的是，研究发现HSC定植骨髓前后，niche细胞类型以及转录组并无显著差异，提示HSC定植骨髓前其niche已经建立。此外，该研究系统探究胚胎到成体发育过程中微环境细胞的变化特征，发现CAR细胞在发育过程中呈现阶段性的转录组变化，胚胎和成体骨髓来源的CAR细胞分别表达阶段特异性的细胞因子，提示不同发育阶段的HSC可能受到来自niche的不同因子的调控。

不仅如此，研究人员发现骨髓niche细胞相比于脾脏，表达更多支持HSC迁移、维持和扩增的关键信号，提示人胚胎骨髓为HSC定植提供了更优良的“土壤”。

研究概述（图源自Cell Stem Cell ）

总的来说，该研究收集了第一批功能性造血干细胞的证据，并揭示了人类胚胎骨髓的生态系统。这项研究结果将有助于进一步研究在生理甚至病理生理条件下的胎儿BM和脾脏生成。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(22)00423-4

转自：“iNature”微信公众号

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