Dev Cell | 程涛/朱平/胡林萍合作揭示人出生后骨髓造血干祖细胞在不同年龄的变化特征

造血干细胞 （ HSC ） 通过自我更新和多向分化产生所有类型的血液细胞，在人类整个生命周期中维持造血。目前，HSC移植广泛应用于治疗血液、免疫、遗传性以及恶性肿瘤等多种疾病，其发育和再生研究在整个干细胞领域发挥范式引领作用。造血发育过程复杂，胚胎时期涉及多个部位，包括卵黄囊、主动脉-性腺-中肾 （AGM） 、胎盘、脐带、肝脏、甚至头部和心脏 【1】 。人HSC起源于CS14 （妊娠后32天） 的AGM区的主动脉内造血簇 （Intra-aortic haematopoietic clusters，IAHCs） 的IL33+ALDH1A1+动脉内皮细胞 【1】 。尽管IAHCs中有大量的HSC，但是这些HSC功能不成熟很少用于移植。妊娠后6周HSC在肝脏中定植、成熟、扩增和获得骨髓归巢能力，直到妊娠中期，肝脏仍是造血的主要器官。11周左右HSC开始定植骨髓，12周骨髓中出现可移植的HSC 【2】 ，20周后骨髓成为造血主要部位，出生后骨髓是维持造血系统最重要的器官。以往对小鼠整个生命周期的HSC研究显示，HSC在不同的发育阶段具有显著的功能异质性 【3】 。而人胚胎早期造血发育阶段 （CS12-15） 的AGM区具有3种不同发育路径和分子特征的造血干祖细胞 （HSPC） ，这与其所处微环境细胞调控密切相关 【4】 ；胎儿和成人HSPC之间会出现多能干细胞到寡能/单能干细胞的转变 【5】 。因此，造血系统无论在胚胎还是出生后的阶段都经历了巨大的变化。

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） 程涛教授课题组等长期致力于血细胞图谱研究，曾于2020年5月在Nature Cell Biology杂志发表了小鼠稳态造血的单细胞转录组图谱，并首次解析了小鼠HSC移植后早期造血重建的动力学变化规律 【6】 （详见Bioart报道：特别推荐NCB | 程涛/朱平等合作打开干细胞移植早期的“黑匣子”） 。继小鼠血细胞图谱绘制之后，同年8月，在National Science Review杂志发表了精细的人血细胞单细胞转录组图谱 【7】 （详见Bioart报道：程涛/朱平合作绘制人类32种血细胞单细胞水平转录组精细分子图谱） 。基于血细胞图谱研究工作，2022年11月3日，该团队在Cell Stem Cell期刊阐明了人胚骨髓中第一波HSC的定植时间点，揭示了HSC在人胚骨髓中定植的机制 【2】 （详见Bioart报道：Cell Stem Cell封面文章 | 程涛/程辉/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） 。然而，人出生后不同阶段骨髓HSPC发育特征及时空规律的系统性研究仍是空白。

2022年12月8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） 程涛教授、朱平研究员和胡林萍副研究员合作在Developmental Cell期刊在线发表了题为 Temporal molecular program of human hematopoietic stem and progenitor cells after birth  的研究论文。该研究利用单细胞技术体系， 全面和详细比较了人出生后不同年龄阶段HSPC转录组、表型和功能特征，首次揭示成体人HSPC发育规律，同时也为临床移植HSC质量控制标准奠定重要基础。

研究人员首先利用STRT-seq对不同年龄阶段 （新生儿、婴儿、儿童、成人、老年） 的骨髓HSPC细胞：HSC，MPP，LMPP （淋系倾向多潜能祖细胞） ，MLP （多潜能淋系祖细胞） ，CMP （共同髓系祖细胞） ，GMP （粒-单核系祖细胞） ，MEP （巨核红系祖细胞） 和B-NKP （B-NK祖细胞） 进行单细胞转录组建库和深度测序，构建了人出生后骨髓HSPC发育分子图谱。通过系统解析发育图谱，揭示了人骨髓HSPC发育的分子动力学规律：HSC和髓系祖细胞 （除GMP外） 数量随年龄增长而增加，而淋系祖细胞数量下降，HSPC在发育后期出现髓系分化偏倚；在异质性方面，干祖细胞 （HSC, MPP, LMPP） 的异质性随着年龄增长逐渐增强，而谱系定向祖细胞 （MEP, MLP, GMP, CMP） 的异质性逐渐减弱，提示发育后期寡能/单能祖细胞定向谱系分化潜能增强。多能干祖细胞 （HSC, MPP2, LMPP, MLP, MEP） 在发育过程中表现出更剧烈的转录组改变，而定向祖细胞 （B-NK2, Mk, Neu1, Neu2, MD, EBM） 在转录上更稳定；大多数HSPC亚群在婴儿到儿童阶段发生了最剧烈的转录改变，提示HSPC的转录谱在出生后早期就已建立。不同HSPC亚群中改变的基因种类高度一致，即造血分子动态变化呈发育依赖式，差异更多是取决于发育阶段，与HSPC亚群种类关系甚微。在谱系分化方面，从出生到成年阶段HSPC红系分化潜能显著增强；从成年到老年阶段，衰老的HSC表现出明显的巨核/血小板偏倚。

进一步，通过解析MPP群体的异质性，精准鉴定出MPP1和MPP2新亚群，筛选并功能验证CD52作为分离红/巨核系偏向MPP1和髓/淋系偏向MPP2的有效分子标志物，且该特征在脐血MPP中具有普适性。

最后，通过解析同一时间点取材的新生儿骨髓和脐血HSPC，发现新生儿骨髓HSC的细胞周期更为静息，显著高表达干性相关基因。移植实验结果表明新生儿骨髓HSC比脐血HSC体内长期造血重建以及自我更新能力更强，骨髓再造细胞 （SRC） 含量更高。

总之， 该研究首次描绘了人出生后正常发育和衰老过程中骨髓HSPC动态分子图谱，揭示人骨髓HSPC的异质性亚群（MPP1和MPP2）、发育时空规律及谱系分化特征；功能鉴定新生儿骨髓HSC为高潜能造血干细胞克隆，可为挖掘移植后高重建效能HSC提供重要参考 。该研究中不同年龄阶段HSPC的研究结论，可为临床细胞治疗(包括基因编辑和干细胞移植)的供者年龄选择提供思路，也为解析特定血液疾病的起源以及年龄特异干细胞分子改变奠定基础。

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） 程涛教授、朱平研究员和胡林萍副研究员为共同通讯作者。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） 博士毕业生张雅文、助理研究员谢小韦、博士生黄耀瑾为并列第一作者。

原文链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00813-9

制版人：十一

参考文献

1. Calvanese, V., et al., Mapping human haematopoietic stem cells from haemogenic endothelium to birth. Nature, 2022. 604(7906): p. 534-540.

2. Zheng, Z., et al., Uncovering the emergence of HSCs in the human fetal bone marrow by single-cell RNA-seq analysis. Cell Stem Cell, 2022. 29(11): p. 1562-1579 e7.

3. Ye, H., et al., Clonal analysis reveals remarkable functional heterogeneity during hematopoietic stem cell emergence. Cell Res, 2017. 27(8): p. 1065-1068.

4. Zeng, Y., et al., Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing. Cell Res, 2019. 29(11): p. 881-894.

5. Notta, F., et al., Distinct routes of lineage development reshape the human blood hierarchy across ontogeny. Science, 2016. 351(6269): p. aab2116.

6. Dong, F., et al., Differentiation of transplanted haematopoietic stem cells tracked by single-cell transcriptomic analysis. Nat Cell Biol, 2020. 22(6): p. 630-639.

7. Xie, X., et al., Single-cell transcriptomic landscape of human blood cells. Natl Sci Rev, 2021. 8(3): p. nwaa180.

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