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作为研究历史最长、临床应用最为广泛、治疗效果最为确切的成体干细胞之一，造血干细胞（HSC）依靠其“SMART”特性（S: Self renewal, M: Multi-lineage differentiation, A: Apoptosis, R: Rest/quiescence, T: Trafficking）维持整个造血系统的动态平衡【1,2】。HSC移植也因此广泛应用于多种血液系统疾病和自身免疫性疾病以及多种遗传性疾病的治疗【3】。在临床实践中，通常在移植后不同时间点采集受者的外周血或者骨髓来评估移植物的植入效率及造血恢复情况。
2012年，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授实验室最早报道了预处理的损伤受体环境对于供体移植HSC有负性作用的“旁观者”效应【4】。但对于HSC在骨髓归巢后如何增殖、分化并重建整个造血的动态过程却知之甚少。这方面研究对解决目前临床HSC移植植入不良十分重要。
2020年5月4日， 程涛研究组和朱平研究组联合国内外多个实验室在Nature Cell Biology杂志在线发表了“Differentiation of transplanted haematopoietic stem cells tracked by single cell transcriptomic analysis”的研究论文。该研究首先利用单细胞转录组测序技术建立了小鼠稳态造血情况下造血细胞群的单细胞转录组图谱（来自骨髓和脾脏的共28个免疫表型血细胞群），并进一步利用该图谱和小鼠HSC移植模型追踪移植后早期（1周内）HSC的生物学行为变化。
作者首先将28个免疫表型定义的造血细胞群体（immunophenotype-based haematopoietic cell populations）根据转录组特征定义为21个转录组细胞群(transcriptome-based haematopoietic cell populations)，并将测序结果与已发表的造血细胞测序数据进行了比较【5】，结果显示相同细胞类型的测序数据结果高度吻合，证明了测序数据质量的可靠性。作者尤其将高度异质性的5个免疫表型定义的HSC群体和9个免疫表型定义的MPP群体根据转录组特征重新定义为3个tHSC亚群（tHSC1、tHSC2和tHSC3）和5个tMPP亚群（tMPP1、tMPP2、tMPP3、tMPP4和tMPP5），并对这些重新定义的HSC以及MPP在自我更新、增殖潜能以及分化倾向方面的差异进行了比较，发现tHSC1和tHSC2为处于造血级联最顶端的自我更新潜能最强的HSC， tHSC3主要为淋系偏向的HSC。tMPP1为最靠近HSC的多能祖细胞亚群，而tMPP2和tMPP3主要向巨核红系以及髓系分化，tMPP4细胞周期不活跃且分化潜能不显著，而tMPP5则主要向淋系分化。这是目前成体小鼠各类造血细胞较为精细的单细胞转录组定义和最全面的分类体系。
接下来，作者进一步利用小鼠HSC移植体系来追踪移植后早期（1周之内）供体HSC生物学活动过程，发现移植后早期供体HSC并未发生想象中的剧烈扩增，反而快速向不同潜能的MPP细胞进行分化，同时伴有少量巨核/红系和髓系前体细胞(tMEs和tGMs)的出现，这种快速的细胞分化现象甚至并不依赖于细胞分裂（移植后24小时已经发生）；供体来源细胞中残存的HSC主要为tHSC1和tHSC2：tHSC1在移植后与稳态下相比表现为细胞周期更加静息，向不同谱系分化潜能下降，处于一种“reserved HSC”状态；而 tHSC2在移植后细胞周期比稳态下更加活跃，向髓系、巨核红系的分化潜能增强，处于一种“primed HSC”状态【6】；HSC频率在移植后1周内逐渐下降，体内外功能实验发现少量残存的HSC仍然具有长期维持造血重建的能力；HSC移植后早期分化的MPP和少量tMEs和tGMs数量呈现动态变化过程，伴随有免疫反应、不同谱系特异性转录因子和标志基因的波动性基因表达趋势；HSC移植后早期分化的少量tMEs仍然高表达HSC干性相关基因，照射后微环境中关键造血因子EPO和G-CSF浓度的显著上升可能触发了细胞向红系和巨核系的快速分化。
移植后细胞类型动态变化
综上所述，本研究基于功能学（Functional）、免疫表型（Immunophenotypical）和转录组特征（Transcriptional）三个方面（FIT）更加全面地定义了造血系统21个细胞群体，建立了稳态下造血细胞转录组图谱，为血液系统生理和病理状态的深入研究提供了更加系统、客观的参照；对于高度异质性的HSC从上述“FIT”三个方面的综合评估有利于在单细胞水平更加准确定义出 “FIT”的HSC；更为重要的是，基于“FIT”三方面的评估首次揭示了HSC移植后早期供体来源的细胞类型，供体HSC向下游细胞分化的过程以及该过程中涉及的动态基因表达改变和潜在的影响机制，从而揭开了HSC移植后早期生物学行为的“黑匣子”。
程涛教授、朱平研究员和Berthold Gottgens教授为该论文的通讯作者。董芳博士、郝莎博士、博士研究生张森和朱才英、程辉博士为该研究论文共同第一作者。该工作的完成得益于北京大学汤富酬教授团队强大技术支持和无私帮助，也始终得到刘兵、兰雨及王金勇等教授的参与合作。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41556-020-0512-1
制版人：琪酱
参考文献
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).
