来源：Cell Regen编辑部

造血干／祖细胞（Hematopoietic Stem/Progenitor Cell, HSPC）是产生人体整个血液免疫系统的干细胞群体，在重大疾病的发生、发展、治疗中都发挥重大作用。在人体发育的各个阶段，包括胚胎初期，到出生、成年等都有符合各自发育阶段特征的HPSCs产生，比如胚胎早期卵黄囊存在的多潜能HSPCs，AGM期、胎肝等的HSCs，出生后的脐血HSCs及骨髓HSCs等。然而，处于人体发育各个时期的HSPCs的潜能特性及决定机制尚不明确，限制了人造血干细胞的研究进展。

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院的潘光锦团队在Cell Regeneration上发表了题为“Characterization of gene regulatory networks underlying key properties in human hematopoietic stem cell ontogeny”的研究文章。研究通过分析人体不同发育阶段的HSPCs单细胞转录组（singel cell RNA sequencing, scRNA-seq）数据，解析了人不同发育阶段HSPCs各自的潜能特性及发育演变规律，并进一步挖掘出控制人HSPCs淋系潜能、自我更新等关键特性的基因调控网络（Gene regulatory network, GRN）及关键转录因子。该研究还解析了人诱导多能干细胞（hiPSCs）体外分化的HSPCs（iHSPCs）的潜能特征，并通过导入上述淋系关键调控因子增强了iHSPCs的功能。该研究系统研究了人HSPCs发育过程中的潜能特性演变规律及决定网络，对于了解和操控人HSPCs提供了有力的理论指导。

研究团队选取了来自人体不同发育阶段的造血干／祖细胞，包括胚胎期卵黄囊（Yolk Sac, YS）、主动脉-性腺-中区（Aorta-Gonad-Mesonephros, AGM）、胎肝（Fetal Liver, FL）、脐带血（Umbilical Cord-Blood, UCB）和经骨髓动员后的外周血（Peripheral Blood, PB）中HSPC的scRNA-seq数据，整合在一起得到不同发育阶段HSPC的基因图谱。与之前其他研究相符，在所有来源的HSPC中，被公认为造血干／祖细胞的特征基因均一致高表达，而其他成熟血液谱系标记物均不表达。进一步的拟时序分析提取到了HSPC发育过程中四种表达模式的基因群，分别与代谢、生物合成、谱系潜能、免疫功能相关，揭示了这些重要的生物学功能在HSPC发育的进程中存在着不同的变化规律。

人体不同发育阶段HSPC的不同特性

团队进一步研究了不同阶段HSPC的具体代谢特征，发现胚胎时期的HSPC比产后的HSPC具有更高的代谢活性。这一点也可以由PI3K-AKT-mTOR和MYC通路的早期高活跃互相印证。早期的高代谢水平可能是为了适应HSPC在胚胎时期的快速增殖。随着发育进展，UCB和PB的HSPC的代谢类型逐渐由氧化磷酸化向糖酵解转变，AMPK通路到活性也逐渐提高。这些变化可能与后期HSPC到静息状态维持有关。

人体不同发育阶段HSPC的代谢特征

研究还发现不同发育阶段的HSPC存在着不同的免疫谱系分化倾向。横向来看，髓系潜能在FL和UCB的HSPC中最为突出，淋系潜能在PB的HSPC中最明显。总的来说，UCB的HSPC展示出最明显全面的HSC特征。并且，在不同的发育阶段，人HSPC有不同的免疫策略。以RNAi通路为代表的固有免疫在早期HSPC中更活跃，而干扰素反应代表的适应性免疫则在后期HSPC中更活跃。MHC类基因只有从FL的HSPC中才开始表达。相反，早期的HSPC高表达免疫逃逸基因。

不同发育阶段HSPC的不同谱系潜能

为进一步探究控制上述HSPC关键特性背后的调控网络，研究团队绘制了HSPC的调控因子图谱。根据相似性划分出的6个调控因子模块分别调控不同的功能，发现不同阶段的HSPC，不同调控模块展现出不同的活性。其中，HSC的自我更新能力主要受到模块4的调控。FL的HSPC具有最强的模块4活性，预示着其自我更新能力最强；模块5主要调控氧应答和代谢，与前文结论一致，其在发育早期的HSPC有较强活性；淋系潜能与HSPC的成熟密切相关，主要受模块3调控。

基因调控网络调控HSPC差异特性

研究团队此前已经成功将人iPSCs分化为具有多向分化潜能的iHSPC。为了进一步优化这些iHSPC的体外分化体系，研究者将iHSPC的scRNA-seq数据与体内来源HSPC数据合并分析。研究发现iHSPC各功能都更接近于早期HSPC，特别是其分化潜能也表现出较高的红系／巨核细胞潜能和较低的淋巴潜能。

iHSPC与发育早期HSPC更相近

基于iHSPC淋系潜能不足的特征，研究者进一步探究是否可以通过调控上述筛选出的关键调控因子来促进iHSPC功能的完善。研究者选择了其中6个与淋系功能相关且在iHSPC中低表达的TF分别构建了过表达的iPSCs细胞系，并成功分化获得了TF过表达的iHSPC。随后，研究者通过与基质细胞共分化的方法检测了这些iHSPC的淋系分化潜能，发现过表达FOS、IKZF1、KLF9后的iHSPC均可以促进NK细胞和T细胞的生成。以上实验结果验证了通过基因调控网络筛选的淋系潜能相关TF的增强HSPC淋系分化能力的作用。

关键TF的表达完善了iHSPC功能

综上所述，研究解析了人体不同发育阶段HSPC包括代谢特征、分化潜能在内的多种特性的动态变化图谱，并描绘出了这些关键特征背后的潜在调控网络。更有意义的是，绘制的调控网络可以为iHSPC功能的进一步完备提供理论支撑。

Cite this article：

Li, F., Zhu, Y., Wang, T. et al. Characterization of gene regulatory networks underlying key properties in human hematopoietic stem cell ontogeny. Cell Regen 13, 9 (2024). https://doi.org/10.1186/s13619-024-00192-z

通讯作者：

潘光锦，中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员。潘光锦团队以研究人多能干细胞命运转变调控、高效获得具有潜在应用价值的功能细胞为主要目标，相关研究成果以通讯（含共同）作者身份发表在Nature Methods、Cell Stem Cell、Nature Communication等国际知名期刊上。