Nat Immuno | 單細胞轉錄組測序發現新的淋系祖細胞

2020-10-21 BioArt

責編 | 兮


成體造血幹細胞和祖細胞（HSPC）通過分化產生髓系（myeloid）和淋系（lymphoid）細胞來維持造血系統，成為研究細胞分化的經典模型之一。對這一分化模型的一般假設是，造血幹細胞在分化中逐漸喪失多能性，並且成為只能產生特性細胞類型的祖細胞，例如失去分化成髓系細胞能力的骨髓淋巴祖細胞（CLP）。這種傳統的樹狀分化路徑隨著單細胞技術的發展受到了諸多的挑戰。例如通過單細胞譜系示蹤（lineage tracing）技術Shalin Naik等發現LMPP這一曾經被認為具有多能性的祖細胞類型，在單細胞層面具有顯著的異質性，只有少數的細胞具有真正的多能性，大部分細胞已經具有確定的分化路徑並且缺乏分化成為其他類型細胞的能力【1】。多個單細胞轉錄組測序研究也在轉錄組層面揭示了類似的造血幹細胞異質性【2】。然而，如何發現新的基因標記，並且對具有不同基因表達譜的細胞類群進行分離和功能鑑定依舊是當前研究的重點。


圖 1 造血幹細胞的分化模型從早期的樹狀到現在更加複雜的並行模型。每種細胞類群中都具有大量有不同分化偏好的細胞。（圖片來自【2】）


2020年10月19日，Shalin Naik研究組在Nature Immunology雜誌在線發表了 A new lymphoid-primed progenitor marked by Dach1 downregulation identified with single cell multi-omics 的研究論文。該研究首先利用自研的單細胞測序方法分析了小鼠造血幹細胞（HSC）轉錄組的異質性，並且鑑定了Dach1表達下調作為標記早期淋系分化的標誌事件。通過構建Dach1標記小鼠和進一步的功能試驗證實了Dach1表達下調的LMPP細胞類群已經喪失了分化成髓系細胞的能力。這一類群被命名為LPP（lymphoid-primed progenitor）。


作者首先通過流式細胞篩選，對小鼠的骨髓造血幹細胞（Lin-Sca-1+c-Kit+）進行了單細胞轉錄組測序，並且發現了這些未分化的幹細胞具有大量的異質性，不同的細胞已經開始表達不同血細胞的標誌基因，其中最顯著的就是表達髓系細胞標誌基因的細胞類群和表達淋系細胞標誌基因的細胞類群。在大量的標誌基因中，Dach1與髓系細胞的標誌基因共表達，而在淋系細胞中很少表達。而Dach1基因在造血幹細胞分化中的功能尚未被研究。


接下來，作者敲除了Dach1基因，然而並沒有觀察到HSPC細胞分化的改變。接著，作者構建了Dach1螢光標記小鼠並且檢查了Dach1在不同HSPC細胞（LT-HSC, ST-HSC, MPP2, MPP3, MPP4/LMPP, CLP）中的分布，發現了Dach1表達在LMPP中有很大的異質性。通過進一步分離LMPP中Dach1+和Dach1-的細胞類群，作者發現Dach1- LMPP 和之前文獻中報導的亞群均不重合（例如ELP），代表了一個新的未定義的細胞類群並將其命名為LPP。


為了進一步研究LPP的轉錄組表達，作者對包括LPP在內的各類造血幹細胞進行了無偏單細胞測序，發現了LPP有特定的基因表達譜並且高表達多種淋系細胞的標誌基因，包括Dntt，Satb1等。同時LPP又和CLP表達不同的標誌基因，因此LPP和CLP是不同的細胞類群。細胞分化軌跡分析（trajectory analysis）暗示了在分化路徑上LPP處於CLP的上遊。體外和體內的功能試驗同時驗證了LPP幾乎喪失了分化為髓系細胞的能力，僅保留了分化為淋系細胞的能力。



總的來說，該研究不僅通過單細胞測序刻畫了造血幹細胞轉錄組的異質性，還通過鑑定具體的標記基因Dach1，分離了具有不同分化潛力的細胞亞群並且驗證了其分化能力。研究揭示了LMPP實際上是由至少兩種不同類型的細胞所構成的，其中LPP已經不具有分化為髓系細胞的能力，進一步修正了造血幹細胞的分化模型。值得注意的是，Dach1已經被報導和細胞周期密切相關，並且在腫瘤的增殖中扮演著重要作用【3】。其背後是否有著相似的基因調控網絡還有待於進一步研究。對Dach1在造血幹細胞細胞分化中功能的深入研究也將深化我們對於癌症的了解。


Daniela Zalcenstein，田魯亦，Jaring Schreuder以及Sara Tomei為本文的共同第一作者。


原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41590-020-0799-x


製版人：十一


參考文獻


1. Diverse and heritable lineage imprinting of early haematopoietic progenitors（http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23552896）

2. From haematopoietic stem cells to complex differentiation landscapes（doi:10.1038/nature25022）

3. DACH1 Is a Cell Fate Determination Factor That Inhibits Cyclin D1 and Breast Tumor Growth（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1592900/ ）

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