2021-12-02
今天(tian)給大家介紹一(yi)篇(pian)2019年(nian)發表在(zai)Nature的一(yi)篇(pian)介紹骨(gu)髓微環(huan)境的單細(xi)胞文章The bone marrow microenvironment at single-cell resolution，解(jie)析了單細(xi)胞分辨率下的骨(gu)髓微環(huan)境。
骨(gu)髓微(wei)環境在(zai)調節造(zao)血功(gong)能方面具有關鍵作用，但是其(qi)分子機制(zhi)和(he)對(dui)壓力的反應卻(que)尚不明確。作者繪制(zhi)了(le)在(zai)平衡(heng)狀態(tai)下和(he)在(zai)應激條件(jian)下小鼠骨(gu)髓血管(guan)、血管(guan)周(zhou)圍以及(ji)成骨(gu)細(xi)(xi)胞(bao)的單細(xi)(xi)胞(bao)圖譜。該分析揭(jie)示了(le)以前未(wei)被認(ren)識到的骨(gu)髓生(sheng)(sheng)態(tai)位(wei)內的細(xi)(xi)胞(bao)異(yi)質(zhi)性水(shui)平，以及(ji)原造(zao)血生(sheng)(sheng)長(chang)因子、趨(qu)化(hua)因子和(he)膜結合配體的細(xi)(xi)胞(bao)來(lai)源。 圖1：穩定狀態(tai)下骨髓微環境的scRNA-seq分析 為了可靠(kao)地標記骨髓生態位(wei)的(de)主要細胞(bao)亞(ya)(ya)群(qun)，文(wen)章使用了特異性的(de)Cre轉基因(yin)小鼠(shu)并(bing)敲入報告基因(yin)，對VE-Cad+、LEPR+和COL2.3+細胞(bao)進行scRNA-seq (10x Genomics) 研究骨髓生態位(wei)群(qun)體的(de)轉錄(lu)組多樣性，首先(xian)證實了Cre表(biao)達的(de)相關基因(yin)的(de)表(biao)達并(bing)可以分為3群(qun)（圖1b）；在過濾后的(de)17,374 細胞(bao)中，鑒(jian)定了2個內皮細胞(bao)亞(ya)(ya)群(qun)、4個血管周(zhou)圍亞(ya)(ya)群(qun)和3個骨系亞(ya)(ya)群(qun)（圖1c、1d）。 圖2：骨髓微環境中亞群細胞的特異性基因表達 通(tong)(tong)過(guo)進(jin)(jin)一(yi)(yi)步的亞(ya)群(qun)(qun)分析(xi)，在(zai)骨(gu)髓血(xue)(xue)管系統中(zhong)發現(xian)了兩個(ge)主(zhu)要的細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)群(qun)(qun)，Ly6a和(he)Stab2分別(bie)在(zai)v1和(he)v2中(zhong)高表(biao)達(da)，并(bing)通(tong)(tong)過(guo)免疫(yi)熒(ying)光進(jin)(jin)行了進(jin)(jin)一(yi)(yi)步的證實(shi)。在(zai)血(xue)(xue)管周圍群(qun)(qun)體(ti)中(zhong)由(you)于(yu)(yu)其(qi)多系分化(hua)潛能和(he)間充質干細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)活(huo)性(xing)，其(qi)更加具有異質性(xing)，研(yan)究獲得(de)了4個(ge)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)群(qun)(qun)體(ti)，P2表(biao)達(da)脂(zhi)肪(fang)(fang)形成(cheng)相(xiang)關標記，在(zai)正常狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)僅證實(shi)了P1、P3和(he)P4的存在(zai)，在(zai)應(ying)激造血(xue)(xue)的情況下出現(xian)了額外的P2細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)亞(ya)群(qun)(qun)，這表(biao)明(ming)一(yi)(yi)種平(ping)穩的前(qian)脂(zhi)肪(fang)(fang)生(sheng)成(cheng)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，而不是(shi)(shi)不同的祖細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)。在(zai)成(cheng)骨(gu)群(qun)(qun)體(ti)中(zhong)發現(xian)了3個(ge)群(qun)(qun)體(ti)，通(tong)(tong)過(guo)轉錄組(zu)分析(xi)和(he)免疫(yi)熒(ying)光獲得(de)并(bing)驗證了其(qi)特有的細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)表(biao)達(da)特征。由(you)于(yu)(yu)LEPR+骨(gu)髓細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)同時產生(sheng)成(cheng)骨(gu)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)和(he)脂(zhi)肪(fang)(fang)細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)，作者還通(tong)(tong)過(guo)擬時序(xu)分析(xi)研(yan)究了其(qi)分化(hua)關系，結果(guo)表(biao)明(ming) LEPR+細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)是(shi)(shi)一(yi)(yi)個(ge)連續(xu)轉錄狀(zhuang)(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，其(qi)中(zhong)已知的成(cheng)脂(zhi)和(he)成(cheng)骨(gu)標記朝著這個(ge)范圍的相(xiang)反兩端上升(P1和(he)P2相(xiang)對于(yu)(yu)P3和(he)P4)。最后作者對這些細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)群(qun)(qun)體(ti)的原造血(xue)(xue)因子(zi)進(jin)(jin)行了驗證，表(biao)明(ming)LEPR+細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)是(shi)(shi)骨(gu)髓生(sheng)態(tai)(tai)(tai)位(wei)中(zhong)一(yi)(yi)個(ge)主(zhu)要的前(qian)造血(xue)(xue)因子(zi)庫，COL2.3+ 細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)亞(ya)群(qun)(qun)O2表(biao)達(da)IGF-1可能是(shi)(shi)惡性(xing)腫瘤和(he)B細(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)發育的關鍵影響因素(su)（圖2）。 圖3：化療應答骨髓生態位的單細胞轉錄組分析 為了(le)(le)(le)評(ping)估急性應(ying)(ying)激(ji)條件(jian)下(xia)骨(gu)髓生(sheng)態位的(de)動(dong)態分子(zi)和形態學(xue)變(bian)(bian)化，通過5-FU處理后(hou)，在LEPR+細(xi)胞(bao)(bao)中出(chu)現了(le)(le)(le)脂(zhi)肪細(xi)胞(bao)(bao)啟動(dong)簇P5，不同(tong)細(xi)胞(bao)(bao)群體也出(chu)現了(le)(le)(le)相應(ying)(ying)細(xi)胞(bao)(bao)比例的(de)變(bian)(bian)化，同(tong)時觀察到與脂(zhi)肪形成相關的(de)通路(lu)顯著上調，與骨(gu)譜系相關的(de)基因表達整體減少。最后(hou)檢測了(le)(le)(le)造血因子(zi)的(de)變(bian)(bian)化，這(zhe)些變(bian)(bian)化表明了(le)(le)(le)亞群之間轉錄水(shui)平的(de)變(bian)(bian)化，以及Wnt和Notch等關鍵通路(lu)的(de)信號強度發(fa)生(sheng)了(le)(le)(le)變(bian)(bian)化，因而化療應(ying)(ying)答中骨(gu)髓微環境(jing)的(de)存(cun)在相當大的(de)分子(zi)重(zhong)編程（圖3）。 圖4：血管內皮細胞是骨髓中Dll4和Dll1的主要來源 由于靶向造血(xue)細胞(bao)中的(de)(de)(de)Notch受體(ti)信號在造血(xue)中具有重要的(de)(de)(de)作用，Notch配體(ti)的(de)(de)(de)身份和(he)作用仍(reng)不(bu)清(qing)楚(chu)。Notch配體(ti)Dll1和(he)Dll4在VE-Cad+細胞(bao)中特異性表(biao)達(da)，Dll1和(he)Dll4的(de)(de)(de)表(biao)達(da)在應激條件下(xia)動態下(xia)調（圖4），為了進(jin)一步了解Notch配體(ti)在骨髓(sui)中的(de)(de)(de)表(biao)達(da)，通過免疫熒(ying)光和(he)流式(shi)細胞(bao)術，證實Dll4在血(xue)管內(nei)皮細胞(bao)中表(biao)達(da)高水(shui)平，Dll1在血(xue)管內(nei)皮細胞(bao)中表(biao)達(da)中等(deng)水(shui)平，Dll4在整個骨髓(sui)血(xue)管腔室(shi)的(de)(de)(de)表(biao)達(da)，Dll1在NK1.1+的(de)(de)(de)造血(xue)細胞(bao)亞(ya)群中表(biao)達(da)，總的(de)(de)(de)來說，這些數據提(ti)供了整個骨髓(sui)中Dll4和(he)Dll1表(biao)達(da)的(de)(de)(de)綜合圖譜（圖4）。 圖5：血管內皮細胞表達的Dll4可防止造血祖細胞的髓系偏斜。 為了(le)進一步(bu)研究(jiu)血(xue)(xue)管Dll4在正常造(zao)(zao)血(xue)(xue)過(guo)(guo)程中的(de)作用，通(tong)過(guo)(guo)對(dui)Dll4構(gou)建特(te)異性敲除小鼠，并對(dui)HSC以及(ji)多能(neng)祖細(xi)(xi)胞進行單細(xi)(xi)胞轉錄組(zu)測序，同時使(shi)用基因集評分，研究(jiu)結果(guo)表明(ming)在缺少血(xue)(xue)管Dll4的(de)情(qing)況下，造(zao)(zao)血(xue)(xue)系統(tong)發生了(le)完全的(de)重構(gou)，這導致了(le)所有HSPC組(zu)分顯著朝髓系細(xi)(xi)胞偏倚。進一步(bu)驗證表明(ming)，血(xue)(xue)管Dll4(而不是Dll1)是控制早期造(zao)(zao)血(xue)(xue)分化潛能(neng)的(de)關鍵Notch配體(ti)（圖5）。 本研究結(jie)果(guo)通過展(zhan)(zhan)示(shi)骨(gu)髓(sui)生態(tai)(tai)位的(de)(de)不同血(xue)(xue)管、血(xue)(xue)管周圍和(he)骨(gu)系(xi)成(cheng)分的(de)(de)詳細轉錄組圖譜(pu)，擴大了對骨(gu)髓(sui)生態(tai)(tai)位的(de)(de)理解。通過將造(zao)血(xue)(xue)因(yin)子與其細胞來(lai)源進(jin)行匹配，結(jie)果(guo)表(biao)明，血(xue)(xue)管內皮表(biao)達的(de)(de)Notch配體(ti)Dll4的(de)(de)丟失會使骨(gu)髓(sui)造(zao)血(xue)(xue)向(xiang)HSPC的(de)(de)轉錄重編程和(he)髓(sui)樣(yang)啟(qi)動(dong)傾斜。未來(lai)可以研究骨(gu)髓(sui)微環境對異常干(gan)細胞功能(neng)的(de)(de)影響(xiang)，如免(mian)疫缺陷(xian)、造(zao)血(xue)(xue)系(xi)統惡(e)性腫瘤和(he)衰老，靶向(xiang)微環境中相關(guan)因(yin)子可能(neng)干(gan)擾疾病的(de)(de)發生和(he)發展(zhan)(zhan)。
