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生命科學Life Science
2020年12月18日，中國醫學科學院周家喜教授團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell上發表了一篇新研究，題為"Decoding human megakaryocyte development "，研究團隊國際上首次從單細胞尺度解析了人胚早期巨核細胞的發育異質性及分化規律，發現了巨核細胞在不同胚胎造血位點的特徵差異。這項研究為人類巨核細胞發育的理解提供了新的視角，同時為體外血小板再生策略奠定了理論基礎。
論文摘要
由於早期胚胎中巨核細胞的稀少及相關研究方法的匱乏，目前對於巨核細胞發育的認知主要局限於形態的描述和在小鼠模型中的解讀，關於人胚胎發育階段巨核細胞的分子特徵完全未知。我們在國際上首次從單細胞尺度解析了人胚早期巨核細胞的發育異質性及分化規律，發現了巨核細胞在不同胚胎造血位點的特徵差異。除了經典產生血小板的群體外，我們鑑定到一群具有免疫特性的CD14陽性的巨核細胞，而這些不同特性的巨核細胞是經由不同的發育路徑產生。此外，我們還發現THBS1基因能夠標記具有更高巨核分化潛能的內皮細胞，並且利用該基因的表達能夠追蹤巨核細胞發生的整個過程。這些發現對於人類巨核細胞發育的理解提供了新的視角，同時為體外血小板再生策略奠定了理論基礎。
作者專訪
Cell Press細胞出版社特別邀請該論文作者團隊進行了專訪，為大家進一步詳細解讀。
CellPress：首先請您和團隊介紹一下研究初衷和起源。
周家喜教授團隊：開始這個工作之前，我們的團隊一直利用幹細胞模型從事血小板再生研究。我們在研究中發現了一個非常有意思的現象：並不是體外產生的所有巨核細胞均能夠生成血小板，提示巨核細胞可能存在功能異質性。同時，在利用人多能幹細胞—巨核細胞分化模型進行研究中，我們意識到巨核細胞的命運決定似乎比之前認知的造血細胞階段更早，但一直缺乏足夠的證據。基於此，我們與解放軍總醫院第五醫學中心劉兵教授交流後，他基於多年研究造血起源的豐富經驗，覺得這非常有意義。因此我們決定利用單細胞轉錄組測序技術對人胚巨核細胞異質性進行解析，並結合人多能幹細胞巨核細胞分化模型回答上述問題。
CellPress：人胚胎發育中的巨核細胞呈現什麼特徵？
周家喜教授團隊：本研究中，我們選取了胚胎發育早期最主要的造血發生位點卵黃囊和胎肝的巨核細胞在多個層面進行了對比分析。首先，與卵黃囊相比，胎肝的巨核細胞大小更大、倍體更高；同時二者在代謝和增殖特性上也存在顯著差異，卵黃囊的巨核細胞以糖酵解為主要代謝方式，而胎肝巨核細胞的細胞周期更加活躍。同時，一個非常有意思的發現是，卵黃囊巨核細胞的細胞膜呈現兩種形態：鼓泡形（with cytoplasmic blebs）和光滑性（smooth），我們推測人體最早血小板可能來自這種鼓泡形的巨核細胞。
CellPress：巨核細胞異質性的發現對於理解其生物學功能什麼啟示？
周家喜教授團隊：傳統認知巨核細胞的功能是產生血小板，對機體的止血功能極為重要。近年的研究發現除了產生血小板外，巨核細胞還發揮著多種功能，如作為微環境成員調控造血幹細胞的靜息及參與機體的免疫調節等。然而，不同的功能是由相同的還是不同特性的巨核細胞實現的仍然是未知。我們的研究發現巨核細胞是一個具有高度異質性的群體，包括生產血小板、微環境支持及免疫等特性的巨核細胞，提示巨核細胞體內功能的異質性。有意思的是，擬時序分析顯示不同特性的巨核細胞經由不同的發育路徑產生，且受獨特的轉錄網絡調控。而且，我們推測不同的巨核細胞會產生不同的血小板，及巨核的異質性會導致血小板的異質性，血小板異質性在機體生理和病理過程中的功能將是一個非常精彩的世界，除了血液系統的疾病之外，可能對很多疾病例如心梗、腦梗以及自身免疫病等具有重要意義。
CellPress：該研究中鑑定到一群具有免疫特性的巨核細胞，它具有什麼意義？
周家喜教授團隊：利用單細胞轉錄組數據分析，我們在人胚早期鑑定一個具有免疫特性的巨核細胞亞群：這個群體高表達系列免疫相關基因及富集免疫調控相關基因集。通過篩選該亞群特異表達的細胞表面標誌分子，我們發現CD14能夠有效標識和富集免疫特性的巨核細胞亞群。同時，利用人多能幹細胞造血分化體系，在體外同樣能夠產生CD41+CD42+ CD14+的免疫特性巨核細胞亞群，我們推測這些巨核細胞對於早期胚胎的免疫體系的建立以及免疫監測可能具有重要功能，但還需要更多的實驗數據來證實。此外，我們推測免疫巨核可能產生特殊的血小板，這也將是一個很激動人心的方向。
CellPress：該研究發現THBS1可以追蹤巨核細胞發生過程，這一發現對於理解巨核細胞發育有什麼啟示？
周家喜教授團隊：通過整合人胚卵黃囊/胎肝和人多能幹細胞造血分化的單細胞轉錄組數據，我們鑑定到THBS1基因可以用於標記最早產生的巨核細胞。我們建立了THBS1-GFP原位敲入的人多能幹細胞株，發現THBS1早在內皮誘導分化階段就開始表達，功能實驗表明THBS1陽性的內皮細胞具有更高的巨核分化潛能。這些發現表明人胚早期發育過程中巨核細胞的命運可能在造血細胞之前的內皮細胞階段就已經決定。事實上，這和我們此前已有的幹細胞分化認知是一致的。我們認為幹細胞分化過程中，很多命運決定的窗口遠比我們通常認知的要早得多。因此，幹細胞分化過程決定命運也要「教育要趁早」。
CellPress：人胚巨核細胞發育的解析對於血小板再生具有怎樣的意義？
周家喜教授團隊：人多能幹細胞由於具有自我更新和多向分化潛能，為臨床短缺的血小板提供了重要來源。然而，當前該領域面臨的核心問題是血小板產生的效率低下且功能不完善。導致這些問題的一個重要原因是無法評估體外誘導產生的巨核細胞與體內發育產生的巨核細胞的相似度，而人胚巨核細胞發育的圖譜則為體外誘導產生的巨核細胞提供了重要參考。另外，通過對人胚巨核細胞單細胞轉錄組數據的挖掘，可以更加全面理解巨核細胞發育調控機制，指導體外高效血小板再生體系的建立。同時，研究還發現THBS1陽性表達的內皮細胞具有更高的巨核分化潛能，提示我們可以在分化早期通過誘導產生更多的THBS1陽性的內皮細胞，從而顯著提高巨核細胞分化效率。此外，如前面提到的，我們堅信巨核細胞的異質性，將會導致豐富多彩的血小板世界，血小板異質性的解析及其對生理和病理過程的調控，將會對很多疾病的診斷和治療帶來深遠的影響。
作者簡介
周家喜 研究員
周家喜，中國醫學科學院血液病醫院（中國醫學科學院血液學研究所）研究員、博士生導師。中國細胞生物學會理事，中國細胞生物學會幹細胞分會理事，天津市細胞生物學會副理事長。研究方向聚焦人多能幹細胞造血分化的機理與應用研究，重點探究巨核細胞分化和血小板發生的策略與機理。同時研究各種血液病狀態下血小板發生和功能變化，為疾病的診療提供思路。在Cell Research、JCB、PNAS、Advanced Science、Cell Reports等高水平雜誌發表高水平文章20餘篇，獲得國家發明專利多項。
劉兵 研究員
劉兵，解放軍總醫院第五醫學中心血液病醫學部研究員、博士生導師。1996年本科畢業於第三軍醫大學，2002年博士畢業於第二軍醫大學。研究方向長期聚焦「造血、免疫系統的發育與再生」，包括發育規律、調控機制、轉化研究和臨床應用等，以通訊作者在Nature、Cell Stem Cell、Immunity、Cell Research、Blood等權威學術期刊發表論文多篇。
石莉紅 研究員
石莉紅，中國醫學科學院血液病醫院（中國醫學科學院血液學研究所）實驗血液學國家重點實驗室研究員、博士生導師。2008年畢業於中國科學院動物研究所，幹細胞與生殖生物學國家重點實驗室，獲生理學博士學位，之後在美國密西根大學醫學院從事博士後研究，2014年回國並加入實驗血液學國家重點實驗室。研究方向主要包括：人多能幹細胞（hESCs或iPSC）及造血幹/祖細胞向紅系定向分化的調控機制研究和紅細胞疾病的發病機理研究。在Nature Medicine、Nature Communications、Blood、PNAS、Nucleic Acids Research、Bioinformatics等國際權威雜誌發表SCI文章40餘篇。
相關論文信息
▌論文標題：
Decoding human megakaryocyte development
▌論文網址：
https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30544-0
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.006
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