繪制人類造血功能發(fā)育調(diào)控單細(xì)胞圖譜

1、人類造血系統(tǒng)的發(fā)育起始于胚胎期，造血干細(xì)胞(HSC)首先出現(xiàn)在主動(dòng)脈-性腺-中腎(AGM)區(qū)域，并且隨著發(fā)育進(jìn)程進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至胎兒肝臟(fetal liver，F(xiàn)L)。胎肝是發(fā)育早期主要的造血器官，造血功能隨后遷移到骨髓中(fetal bone marrow)。在嬰兒出生時(shí)，骨髓成為主要的造血器官。盡管目前已經(jīng)有研究報(bào)道了小鼠/斑馬魚/人類個(gè)體發(fā)育過(guò)程中造血系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的單細(xì)胞圖譜，但還沒(méi)有對(duì)人類發(fā)育各個(gè)階段的Lin-CD34+的造血干祖細(xì)胞(Hematopoietic stem/progenitor cell,HSPC)在同一平臺(tái)下進(jìn)行直接比較。為了進(jìn)一步理解Lin-CD34+ HSPC在人類

2、不同發(fā)育階段的發(fā)展變化，2021年9月14日，來(lái)自英國(guó)牛津大學(xué)Weatherall Institute of Molecular Medicine研究所的多個(gè)課題組合作在Cell Reports上發(fā)表了文章Transitions in lineage specification and gene regulatory networks in hematopoietic stem/progenitor cells over human development，首次對(duì)比了四個(gè)不同發(fā)育階段，即妊娠早期的胎肝(eFL)、妊娠中期的胎肝(FL)和胎骨髓(FBM)、兒童時(shí)期的骨髓(PBM)、成人時(shí)期的骨髓

3、(ABM)Lin-CD34+細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù), 并且使用自主開發(fā)的單細(xì)胞分析軟件SingCellaR進(jìn)行了深度分析。這一研究發(fā)現(xiàn)HSPC在人類發(fā)育過(guò)程中存在明顯的時(shí)空差異。首先，研究人員對(duì)來(lái)自不同發(fā)育時(shí)期和位置的單細(xì)胞樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合，基于差異表達(dá)基因、譜系特征基因等方法，構(gòu)建了HSPC的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，注釋了包括HSC/MPP細(xì)胞、Erythroid/Megakaryocyte Progenitor(紅系/巨核)、Myeloid(髓系)和Lymphoid(淋巴系)等21個(gè)不同的細(xì)胞類型。通過(guò)使用細(xì)胞數(shù)量的百分比以及DA-seq【1】等算法，研究者進(jìn)一步分析了不同的各個(gè)發(fā)育階段中不

4、同細(xì)胞譜系的豐度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)巨核細(xì)胞和紅細(xì)胞在早期胎兒肝臟(eFL)中比例較高，但是在發(fā)育過(guò)程中，特別是骨髓開始造血后，淋巴和髓系的祖細(xì)胞出現(xiàn)了顯著的擴(kuò)增，骨髓中的淋巴組細(xì)胞比例的出生后逐漸降低。利用該單細(xì)胞圖譜數(shù)據(jù)集，研究者綜合力導(dǎo)向圖(force directed graph)算法和擴(kuò)散映射(diffusion map)算法進(jìn)一步分析了造血干細(xì)胞起始發(fā)育軌跡(developmental trajectory)，包括紅系、巨核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞系和髓系細(xì)胞系，并結(jié)合Monocle3的擬時(shí)序分析，對(duì)各個(gè)發(fā)育路徑中的關(guān)鍵基因的表達(dá)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在不同的發(fā)育階段，不同的譜系呈現(xiàn)不同的表達(dá)譜。研究人員還通

5、過(guò)pySCENIC對(duì)各個(gè)發(fā)育軌跡的主要轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了分析。這批數(shù)據(jù)為今后Lin-CD34+HSPC的發(fā)育研究提供了非常好的資源，可以作為參考數(shù)據(jù)集來(lái)研究年齡特異性的血液疾病。例如研究人員將這一數(shù)據(jù)集和此前發(fā)表的兩類血液疾病，多發(fā)于兒童的幼年型粒單核細(xì)胞白血病 (JMML)和多發(fā)于老年人的骨髓纖維化(MF)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了整合分析，進(jìn)一步比較了JMML和MF這兩種血液疾病和正常造血系統(tǒng)的時(shí)空發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組異同。綜上，這項(xiàng)研究克服了諸如收集不同時(shí)間尺度樣品方面等困難，使用同一單細(xì)胞建庫(kù)平臺(tái)(10X genomics)對(duì)人類造血細(xì)胞發(fā)育階段進(jìn)行了動(dòng)態(tài)圖譜刻畫，該研究提供了人類發(fā)育過(guò)程中來(lái)自不同發(fā)育階段的肝臟和骨髓的HSPC的高分辨率單細(xì)胞轉(zhuǎn)