人类胚胎发育早期淋系祖细胞的秘密！揭秘造血干细胞起源

2024年7月，来自血液与健康全国重点实验室的研究团队在Developmental Cell杂志在线发表了题为 “Human yolk sac-derived innate lymphoid-biased multipotent progenitors emerge prior to hematopoietic stem cell formation”的研究成果。研究利用单细胞转录组和单细胞表面蛋白测序技术分析了不同发育阶段的胚胎组织及其培养产物中细胞类型和基因表达，首次深入解析了人造血干细胞（HSC）产生之前的淋系祖细胞的发育规律，确认了其起源位点、分化偏向及迁移动力学等基础性科学问题。

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作者为了全面了解早期人类HSC非依赖性淋巴细胞造血，对来自三个主要造血位点(YS、AGM和FL)的单细胞RNA测序数据进行了综合分析，重点关注HSC产生和定植的各个阶段。作者发现在卡内基10期存在人卵黄囊衍生淋巴偏向祖细胞（YSLPs），比第一次HSC出现要早得多。此外，作者在HSC出现之前对胚胎外和胚胎内来源的造血细胞进行了共培养实验，发现单细胞/bulk培养和CITE-seq实验结果显示了YSLP向先天淋巴样细胞和树突状细胞分化的趋势。

研究结果

1.人类YS中的淋巴样祖细胞出现在造血干细胞之前

作者对人类HSC首次产生（胚胎发育5周中期，CS14）、迁移定植胎肝（胚胎发育6周末，CS17）前后的主要生血、造血位点卵黄囊、主动脉-性腺-中肾区（AGM区）及肝脏的淋系相关单细胞转录组数据进行了深入分析。结果显示，远在HSC产生之前的早期胚胎阶段（胚胎发育4周早期，CS10），卵黄囊即可检测到淋系祖细胞，这些细胞高表达与固有淋巴细胞（innate lymphoid cell, ILC）和树突状细胞（dendritic cell, DC）发育密切相关的转录因子。

图1 淋巴祖细胞在人卵黄囊中出现在HSC形成前

2.人胎肝中的淋系祖细胞在HSC定植前后具有两种不同的转录特征

人胎肝（FL）是造血的主要部位，来自AGM区域和YS的HSC和不依赖HSC的造血祖细胞在此定植和扩张。作者系统地研究了FL中5-8 PCW（HSC）定植前后的造血数据。结果显示，在包括CS20和CS23在内的FL中，与HSC播种前相比，HSC定植后的群集比例有显著差异。作者认为，与造血干细胞同时产生的淋系祖细胞的强大迁移，是FL-LP1在HSC播种后相对比例显著增加的主要原因。这些结果表明淋系谱系分化的倾向不同，且定植前的淋系祖细胞与早期卵黄囊来源淋系祖细胞的特征极为相似。

图2 淋巴样祖细胞在HSC定植前后的转录特征

3.卵黄囊在HSC出现前产生非NK ILC的能力明显强于胚胎内位点

为了进一步验证早期FL-LP的起源（可能不是来源于造血干细胞），作者对来自不同造血部位和阶段的淋系祖细胞进行了整合分析。结果显示，早期FL- LP与YSLP和AGM-LP相似，表明早期FL-LP确实可能是YS，特别是YSLP的迁移。作者比较了HSC产生之前的卵黄囊及胚胎体中的淋系祖细胞数目，并进行T、B和ILC三种淋系诱导体系下的体外分化潜能实验，发现卵黄囊（YS）中共表达CD45、CD34和CD127的淋系祖细胞数量总是显著高于胚胎体（EP）。综上所述，与EP相比，YS在HSC出现前表现出更高的CD34+ CD127+淋巴样祖细胞丰度。此外，YS显示出显著的能力，能够产生大量的CD45+细胞，以及NK细胞和以前未识别的辅助ILCs，这表明在HSC出现之前，淋巴样细胞潜能的胚胎外起源。

图3 不同造血部位LPs的比较及YS和EP在HSC出现前ILC、T和B细胞分化测定

4. CITE-seq和单细胞分析显示，先天性淋巴细胞潜能和残余髓细胞潜能占主导地位

为了进一步验证YS样本培养的ILC亚群的身份，作者脐带血CD34+ HSPC54体外培养和不同人类胚胎组织来源的ILC数据进行了综合分析。结果显示，所有CD45+产物的CITE-seq具有蛋白质水平的信息，在HSC出现之前，YS CD45+ CD34+CD127+群体均含有淋系祖细胞，且倾向于先天淋巴样谱系。YS CD45+ CD34+CD127+群体同时仍保留髓样潜能，对常规树突细胞（cDC）有主要贡献。该结果进一步明晰了卵黄囊来源淋系祖细胞向不同ILC分化偏向的同时仍保留髓系尤其是DC的分化潜能。

图4 通过CITE-seq和单细胞试验发现具有髓系潜能（特别是cDC）的先天淋巴偏性YSLP

5. 卵黄囊和人胎肝淋系祖细胞与生态位细胞的细胞间相互作用分析

为了探究淋巴祖细胞从YS向FL迁移和定殖过程中随之发生的变化，作者将YSLP与早期FL- LP结合进行了综合分析。结果显示，大多数早期FL-LP与YSLP合并，而未合并的细胞表现出更活跃的细胞周期状态。与YSLP相比，不同时间点的早期FL-LP更多地出现在S期和G2 M期。相比之下，随着时间的推移，YSLP在静止期的细胞逐渐减少，在G1期的细胞逐渐增多。为了研究FL定植的触发因素及其细胞周期状态的变化，作者随后评估了早期FL- LP与不同FL生态位细胞类型在这一阶段之间的潜在通信。结果显示，巨噬细胞与早期FL-LP的配体受体对数量最多，其次是cDC和单核细胞。此外，间充质细胞和肝细胞与早期FL-LP表现出明显的相互作用，主要通过细胞趋化性如CXCL12-CXCR4和细胞生长和增殖(PTN-PLXNB2, IGF2-IGF1R)相关信号和途径介导。这些观察结果强调了这些基质细胞在募集淋系祖细胞定植和促进其扩增中的关键作用。综上所述，作者的研究结果表明，来自YS的淋巴样祖细胞被FL小生境细胞募集，并响应与细胞增殖相关的信号进入活跃的细胞周期。

图5 YSLP与早期FL-LP的比较及其与生态位细胞的相互作用分析

结论

参考文献

Yanli Ni , Guoju You , Yandong Gong , et al. Human yolk sac-derived innate lymphoid-biased multipotent progenitors emerge prior to hematopoietic stem cell formation. Dev Cell. 2024 Jul 4:S1534-5807(24)00388-5. doi: 10.1016/j.devcel.2024.06.010. Online ahead of print.