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刘峰等联合团队揭示巨噬细胞的胎盘生血内皮细胞起源

2021-07-01 11:16

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学Life science

2021年6月30日，中国科学院动物研究所刘峰课题组与北京大学韩敬东团队、中科院动物所王红梅团队、剑桥大学Berthold Gottgens团队合作，在Cell press细胞出版社Developmental Cell上发表原创论文“De novo generation of macrophage from placenta-derived hemogenic endothelium”。该论文从单细胞水平解析了小鼠妊娠中期胎盘中胎儿来源的所有细胞类型，首次揭示巨噬细胞的胎盘生血内皮细胞起源。

Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

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胎盘作为母胎界面的屏障，主要参与气体、营养物质、代谢废物的交换，分泌妊娠胚胎发育所需激素和生长因子，同时保护胎儿不受母体免疫系统的攻击。近年来，有研究表明胎盘可以为造血干细胞提供合适的环境，在妊娠中期促进造血干细胞的扩增和维持。胎儿分娩后，收集脐带中的有核血细胞，将其长期保存，以期为自身血液系统疾病提供储备的造血干细胞，具有潜在的临床应用价值。但是，胎盘是否直接参与血液发育仍存在争议。

以小鼠作为哺乳动物模型，根据血细胞的产生类型，可以将造血发生分为初级造血（primitive hematopoiesis）和次级造血（definitive hematopoiesis）两个过程。初级造血发生在胚胎期（embryonic day, E）7.5的卵黄囊血岛（blood island），主要产生初级红细胞和初级巨噬细胞。次级造血包括两个阶段，第一波次级造血发生在卵黄囊（E8.5），产生红-髓系前体细胞（Erythroid-Myeloid progenitors, EMPs），第二波次级造血发生在AGM （aorta-gonad-mesonephros）区，产生造血干细胞（hematopoietic stem cells, HSCs）。随着血液循环的建立，HSCs迁入胎儿肝脏（fetal liver, FL），进行大量扩增和分化，维持胚胎发育需要。最终，HSCs迁入骨髓（bone marrow, BM），维持终身造血（图1）。

图1：小鼠胚胎的血液发生过程 (Sugiyama et al., 2006)。

随着胚胎期血细胞多位点起源理论的不断发展，人们发现胎盘也可能作为血细胞产生的位点。研究人员利用缺乏心跳的突变小鼠（Ncx1-/-），发现胎盘中可能存在原位产生的血细胞。但是，由于该小鼠死于E11.5，胎盘原位产生的血细胞类型及其生物学功能尚不清楚。本论文通过单细胞测序技术，筛选到表面标记分子CD44，利用其标记胎盘的生血内皮细胞。通过体外功能实验，进一步证实了胎盘中生血内皮细胞的存在。随后，研究人员分选胚胎期不同造血位点（AGM区和胎盘）的生血内皮细胞，从转录组水平对其进行了差异基因分析，揭示了胎盘内皮细胞受Notch和炎性信号的调控。

随后，研究人员构建了Hoxa13CreER小鼠，通过与荧光报告小鼠交配，特异性标记表达Hoxa13的细胞及其后代细胞。研究发现，相对于其它胚胎期造血位点，Hoxa13+谱系细胞能够特异性标记胎盘内皮细胞。接下来，通过单细胞转录组测序及功能验证，研究人员发现胎盘生血内皮细胞能够通过EHT过程，产生巨噬细胞，从而揭示巨噬细胞可以通过胎盘生血内皮细胞直接产生。

该研究不仅揭示了巨噬细胞起源的新位点，补充了胚胎期巨噬细胞多起源理论，同时也将为临床上生血内皮细胞的获得提供了新的来源。

图2：本工作的主要发现示意图。

中国科学院动物研究所博士研究生梁桂仙、博士后蒋祥祥和中国科学院营养与健康研究所博士研究生周纯羽为该论文共同第一作者。中国科学院动物研究所刘峰研究员、王红梅研究员、北京大学韩敬东教授与剑桥大学Berthold Gottgens教授为共同通讯作者。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者刘峰研究员代表研究团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

在哺乳动物中，已经证实巨噬细胞起源于红细胞-髓系祖细胞（EMPs）和造血干细胞（HSCs），那么是什么原因让您对其他胚胎位点来源产生兴趣进而研究的呢？

刘峰研究员：

胎盘造血的研究最早可以追溯到二十世纪六十年代。1979年，Melchers等首次提出了胎盘含有B淋巴细胞祖细胞，但是胎盘造血的研究并没有迅速发展起来。直到二十一世纪，胎盘造血相关研究才逐渐被人重视。2008年，Rhodes等利用心跳缺陷的Ncx1-/-小鼠，证明胎盘中具有自主产生CD41+造血祖细胞的能力。但是由于Ncx1-/-小鼠只能发育到胚胎期11.5天，因此胎盘产生血细胞的具体类型尚不清楚。

CellPress：

请问单细胞RNA测序和谱系追踪在本研究中发挥了怎样的作用？

刘峰研究员：

单细胞RNA测序是本研究中主要的技术手段。首先，我们利用单细胞RNA测序鉴定了胎盘中胎儿来源的所有细胞类型，发现并筛选出胎盘生血内皮细胞表面标记分子；对其进行功能验证，证实了胎盘中生血内皮细胞的存在。随后，我们利用单细胞RNA测序，筛选出特异性表达在胎盘内皮细胞中的基因，并构建该基因的CreER小鼠；通过谱系示踪等实验，我们发现，在正常生理情况下，胎盘生血内皮细胞可以经过内皮-生血转化过程，直接产生胎盘巨噬细胞。

CellPress：

胎盘内皮细胞所产生的霍夫鲍尔细胞样细胞（HBC-like cells）有何特点？

刘峰研究员：

通过转录组分析，我们发现HBC-like cells高度富集胚胎期巨噬细胞的特征性基因；同时，高表达巨噬细胞特征性分子标记Cd68。吉姆萨染色结果显示HBC-like cells具有典型的巨噬细胞的形态。

CellPress：

已经鉴定出的两种HBC-like 细胞分别具有怎样的功能？

刘峰研究员：

通过转录组分析，我们发现，HBC-like-1高表达与单核细胞相关的基因，包括Ccr1、Arg2、Lyz2和Cxcr2以及与血管形成相关的基因包括Mmp9、Vegfa和Sepp1，提示其可能参与免疫响应及发挥促进血管发育的功能。HBC-like-2高表达Cd74、H2-Ab1和H2-K1，暗示其可能在妊娠期母胎界面的免疫防护过程中发挥作用。

CellPress：

本研究鉴定出的巨噬细胞胎盘来源，具有怎样的生物学意义？

刘峰研究员：

本研究中，提出了巨噬细胞的胎盘生血内皮起源，丰富了胚胎期巨噬细胞的多位点起源的理论研究。人的胎盘巨噬细胞，存在于胎盘绒毛膜间质中，参与母胎界面稳态调节和免疫防护，但是其来源一直存在争议。本研究为霍夫鲍尔细胞的来源提供了新的思路。同时，我们认为，胎盘生血内皮细胞产生的巨噬细胞，局限于胎盘本身，是特定时间窗口、特定发育阶段产生的“限定性”细胞。在胚胎发育过程中，胎盘内皮细胞产生的巨噬细胞补充了巨噬细胞的新来源，为胚胎正常发育提供保障。

作者简介

刘峰

研究员

刘峰，中国科学院动物研究所，研究员。“国家杰出青年科学基金”获得者、中组部 “万人计划”科技创新领军人才。主要从事血液系统发生的遗传和表观遗传调控研究，阐明了mRNA的表观修饰、信号通路的协同作用、炎性信号、神经递质以及微环境等在血液发育中的作用；以通讯作者在Nature、J Exp Med、EMBO J、PNAS、Blood、Dev Cell等杂志发表论文60余篇。其中，研究成果“m6A甲基化修饰调控脊椎动物造血干细胞命运决定”入选2017年度“中国生命科学十大进展”。目前担任中国动物学会斑马鱼分会主委/发育生物学分会副会长、中国细胞生物学学会细胞信号转导分会副会长，Front Cell Dev Biol副主编和Protein Cell、GPB和JGG等杂志编委；获得谈家桢生命科学创新奖等荣誉。