作為研究歷史最長、臨床應用最為廣泛、治療效果最為確切的成體幹細胞之一，造血幹細胞（HSC）依靠其“SMART
”特性（S: Self renewal, M: Multi-lineage differentiation, A: Apoptosis, R: Rest/quiescence, T: Trafficking）維持整個造血系統的動態平衡【1,2】。HSC移植也因此廣泛應用於多種血液系統疾病和自身免疫性疾病以及多種遺傳性疾病的治療【3】。在臨床實踐中，通常在移植後不同時間點採集受者的外周血或者骨髓來評估移植物的植入效率及造血恢復情況。2012年，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）程濤教授實驗室最早報道了預處理的損傷受體環境對於供體移植HSC有負性作用的“旁觀者”效應【4】。但對於HSC在骨髓歸巢後如何增殖、分化並重建整個造血的動態過程卻知之甚少。這方面研究對解決目前臨床HSC移植植入不良十分重要。
2020年5月4日，
程濤研究組和朱平研究組聯合國內外多個實驗室在Nature Cell Biology雜誌在線發表了“Differentiation of transplanted haematopoietic stem cells tracked by single cell transcriptomic analysis”的研究論文。該研究首先利用單細胞轉錄組測序技術建立了小鼠穩態造血情況下造血細胞群的單細胞轉錄組圖譜（來自骨髓和脾臟的共28個免疫表型血細胞群），並進一步利用該圖譜和小鼠HSC移植模型追蹤移植後早期（1周內）HSC的生物學行為變化。
作者首先將28個免疫表型定義的造血細胞群體（immunophenotype-based haematopoietic cell populations）根據轉錄組特徵定義為21個轉錄組細胞群(transcriptome-based haematopoietic cell populations)，並將測序結果與已發表的造血細胞測序數據進行了比較【5】，結果顯示相同細胞類型的測序數據結果高度吻合，證明了測序數據質量的可靠性。作者尤其將高度異質性的5個免疫表型定義的HSC群體和9個免疫表型定義的MPP群體根據轉錄組特徵重新定義為3個tHSC亞群（tHSC1、tHSC2和tHSC3）和5個tMPP亞群（tMPP1、tMPP2、tMPP3、tMPP4和tMPP5），並對這些重新定義的HSC以及MPP在自我更新、增殖潛能以及分化傾向方面的差異進行了比較，發現tHSC1和tHSC2為處於造血級聯最頂端的自我更新潛能最強的HSC， tHSC3主要為淋系偏向的HSC。tMPP1為最靠近HSC的多能祖細胞亞群，而tMPP2和tMPP3主要向巨核紅系以及髓系分化，tMPP4細胞週期不活躍且分化潛能不顯著，而tMPP5則主要向淋系分化。這是目前成體小鼠各類造血細胞較為精細的單細胞轉錄組定義和最全面的分類體系。
接下來，作者進一步利用小鼠HSC移植體系來追蹤移植後早期（1周之內）供體HSC生物學活動過程，發現移植後早期供體HSC並未發生想象中的劇烈擴增，反而快速向不同潛能的MPP細胞進行分化，同時伴有少量巨核/紅系和髓系前體細胞(tMEs和tGMs)的出現，這種快速的細胞分化現象甚至並不依賴於細胞分裂（移植後24小時已經發生）；供體來源細胞中殘存的HSC主要為tHSC1和tHSC2：tHSC1在移植後與穩態下相比表現為細胞週期更加靜息，向不同譜系分化潛能下降，處於一種“reserved HSC”狀態；而 tHSC2在移植後細胞週期比穩態下更加活躍，向髓系、巨核紅系的分化潛能增強，處於一種“primed HSC”狀態【6】；HSC頻率在移植後1周內逐漸下降，體內外功能實驗發現少量殘存的HSC仍然具有長期維持造血重建的能力；HSC移植後早期分化的MPP和少量tMEs和tGMs數量呈現動態變化過程，伴隨有免疫反應、不同譜系特異性轉錄因子和標誌基因的波動性基因表達趨勢；HSC移植後早期分化的少量tMEs仍然高表達HSC乾性相關基因，照射後微環境中關鍵造血因子EPO和G-CSF濃度的顯著上升可能觸發了細胞向紅系和巨核系的快速分化。
移植後細胞類型動態變化
綜上所述，本研究基於功能學（Functional）、免疫表型（Immunophenotypical）和轉錄組特徵（Transcriptional）三個方面（FIT）更加全面地定義了造血系統21個細胞群體，建立了穩態下造血細胞轉錄組圖譜，為血液系統生理和病理狀態的深入研究提供了更加系統、客觀的參照；對於高度異質性的HSC從上述“FIT”三個方面的綜合評估有利於在單細胞水平更加準確定義出 “FIT”的HSC；更為重要的是，基於“FIT”三方面的評估首次揭示了HSC移植後早期供體來源的細胞類型，供體HSC向下遊細胞分化的過程以及該過程中涉及的動態基因表達改變和潛在的影響機制，從而揭開了HSC移植後早期生物學行為的“黑匣子”。
程濤教授、朱平研究員和Berthold Gottgens教授為該論文的通訊作者。董芳博士、郝莎博士、博士研究生張森和朱才英、程輝博士為該研究論文共同第一作者。該工作的完成得益於北京大學湯富酬教授團隊強大技術支持和無私幫助，也始終得到劉兵、蘭雨及王金勇等教授的參與合作。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41556-020-0512-1
製版人：琪醬
參考文獻
1.Cheng, T. Toward 'SMART' stem cells. Gene therapy 15, 67-73 (2008).
2.Dong, F., Hao, S., Cheng, H. & Cheng, T. [Physiological regulation of hematopoietic stem cell and its molecular basis]. Sheng li xue bao : [Acta physiologica Sinica] 68, 423-434 (2016).
3.Chabannon, C. et al. Hematopoietic stem cell transplantation in its 60s: A platform for cellular therapies. Science translational medicine 10, eaap9630 (2018).
4.Shen, H. et al. An acute negative bystander effect of gamma-irradiated recipients on transplanted hematopoietic stem cells. Blood 119, 3629-3637 (2012).
5.Nestorowa, S. et al. A single-cell resolution map of mouse hematopoietic stem and progenitor cell differentiation. Blood 128, e20-31 (2016).
6. Haug, J.S. et al. N-cadherin expression level distinguishes reserved versus primed states of hematopoietic stem cells. Cell stem cell 2, 367-379 (2008).
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