血液作為生命的河流，源源不斷地為機體提供營養(yǎng)物質(zhì)和免疫保護(hù)。作為血液源頭的造血干細(xì)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(xì)胞來源[1, 2]。但是，造血干細(xì)胞來源不足卻是限制其推廣的瓶頸。如何擴增足夠數(shù)量的功能性造血干細(xì)胞，一直是基礎(chǔ)科學(xué)研究的難點和熱點之一。在脊椎動物胚胎發(fā)育過程中，胎肝是造血干細(xì)胞擴增的天然場所。在這里造血干細(xì)胞進(jìn)行快速的擴增，并能保持較強的干性[3, 4]。全面、系統(tǒng)、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(xì)胞提供理論指導(dǎo)。

2021年8月2日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程團(tuán)隊與中國科學(xué)院動物研究所劉峰團(tuán)隊合作在Cell Research 雜志發(fā)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析的方法，繪制了小鼠胎肝發(fā)育的單細(xì)胞時空轉(zhuǎn)錄組圖譜，解析了造血干/祖細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組和功能異質(zhì)性，鑒定了造血干細(xì)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，繪制了胎肝血細(xì)胞和微環(huán)境細(xì)胞發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組圖譜，解析了造血干/祖細(xì)胞和微環(huán)境細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組動態(tài)變化。通過生物信息學(xué)分析和移植實驗驗證，研究人員發(fā)現(xiàn)CD93不僅可以富集干性較強的造血干/祖細(xì)胞，還是造血干/祖細(xì)胞發(fā)育的調(diào)控因子。隨后，研究人員使用CellPhoneDB方法構(gòu)建了微環(huán)境細(xì)胞和造血干/祖細(xì)胞的互作調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定了潛在的促造血干細(xì)胞擴增分子，如生長因子MDK和PTN等。

胎肝造血干細(xì)胞擴增功能單元示意圖

為了驗證互作細(xì)胞和配對信號分子的空間關(guān)系，研究人員繪制了胎肝的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜。利用空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)具有空間坐標(biāo)的特征，研究人員將微環(huán)境細(xì)胞和與造血干/祖細(xì)胞的空間關(guān)系分為Intra-spot（關(guān)系最密切）、Inter-spot（關(guān)系密切）和Others（關(guān)系疏遠(yuǎn)）三類。通過定性和定量分析，研究人員發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞高度富集在造血干/祖細(xì)胞周圍，并且具有相鄰關(guān)系的巨噬細(xì)胞和造血干/祖細(xì)胞分別表達(dá)互作分子對中的配體和受體。與此同時，免疫熒光實驗數(shù)據(jù)顯示巨噬細(xì)胞可以形成“口袋狀”結(jié)構(gòu)包圍造血干/祖細(xì)胞，功能數(shù)據(jù)顯示巨噬細(xì)胞及其分泌生長因子的促擴增作用。即擴增的造血干/祖細(xì)胞處于巨噬細(xì)胞和生長因子富集的HSC PLUS。眾所周知，細(xì)胞是機體的最小功能單元，其次是組織/器官，本研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞和組織/器官之間存在細(xì)胞行為的特定功能單元，即造血干細(xì)胞擴增的基礎(chǔ)功能單元（HSC PLUS）。

最后，通過將小鼠胎肝和已發(fā)表的人胎肝單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)比對分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在人胎肝中也存在保守的擴增結(jié)構(gòu)和分子機制。以上述高通量組學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究人員搭建了數(shù)據(jù)交互網(wǎng)站http://liulab.ioz.ac.cn/fetal_liver/，可以檢索基因的時空表達(dá)譜，包括細(xì)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(fā)育的單細(xì)胞時空轉(zhuǎn)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(nèi)造血干細(xì)胞擴增方式的理解，擴充了我們對組織功能單元的認(rèn)識，也為造血干細(xì)胞體外擴增提供了更多線索。

中國科學(xué)院動物研究所劉峰研究員和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程研究員為本文共同通訊作者。中國科學(xué)院動物研究所博士研究生高素偉和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院石強博士為本文共同第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等的資助，并得到北京大學(xué)“北極星”高性能計算平臺的大力支持。

參考文獻(xiàn)

1.Laurenti, E. and B. Gottgens, From haematopoietic stem cells to complex differentiation landscapes. Nature, 2018. 553(7689): p. 418-426.

2.Zhang, Y., et al., Hematopoietic Hierarchy – An Updated Roadmap. Trends Cell Biol, 2018. 28(12): p. 976-986.

3.Ema, H. and H. Nakauchi, Expansion of hematopoietic stem cells in the developing liver of a mouse embryo. Blood, 2000. 95(7): p. 2284-8.

4.Swain, A., et al., Intrinsic and extrinsic regulation of mammalian hematopoiesis in the fetal liver. Histol Histopathol, 2014. 29(9): p. 1077-82.

來源：北京大學(xué)