基础医学院郭滨研究组发现体外培养应激条件下人类脐血功能性造血干细胞全新标志物
2021-09-07 浏览( 来源:基础医学院 
 撰稿:郭滨
 摄影:郭滨

造血干细胞移植是目前最为成熟有效的干细胞治疗方式之一。1988年,美国科学家布洛克斯梅尔(H.Broxmeyer)和法国医生格拉克曼(E.Gluckman)合作,成功利用脐血造血干细胞移植治疗一位患有范可尼贫血的6岁美国小男孩。至此,打开了脐血干细胞治疗的大门。脐血可作为供临床移植的造血干细胞的有效来源,同时也是开展人类造血干细胞生物学研究的宝贵材料。已有的关于造血干细胞自我更新的理论体系主要来自于小鼠骨髓或胎肝造血干细胞的研究,随后研究表明人类造血干细胞和小鼠造血干细胞自我更新的调控机制有诸多不同。深入研究人类造血干细胞自我更新和干性维持的调控机制不仅有利于完善人类造血干细胞生物学的理论体系,同时有利于建立真正有效的人类功能性造血干细胞长期体外扩增培养方法供基础研究或临床应用。

2021年8月31日,上海交通大学医学院基础医学院郭滨研究组与美国印第安纳大学医学院Hal E. Broxmeyer研究组、万钧研究组、上海交通大学附属第一人民医院孟庆友研究组以及附属第六人民医院滕银成研究组合作在国际医学权威期刊Journal of Clinical Investigation在线发表了题为“ADGRG1 enriches for functional human hematopoietic stem cells following ex vivo expansion-induced mitochondrial oxidative stress”的文章,报道了G蛋白偶连受体ADGRG1可以显著富集体外扩增诱导的线粒体氧化应激条件下具有长期血液重建能力的人类脐带血功能性造血干细胞。

研究者首先发现人类脐带血造血干细胞经过短期的体外培养之后,一定数量的脐血CD34+细胞中功能性造血干细胞显著减少。经转录组和代谢活性分析实验发现,体外扩增培养会引起造血干祖细胞线粒体氧化应激水平显著上调。研究人员提出假说,人类造血干细胞的干性和线粒体氧化应激水平可能在一定程度上成负相关。因此,他们利用流式细胞术针对体外培养后的脐血CD34+细胞分选了线粒体ROS水平低(约15%,简称mitoROS low)和线粒体ROS水平高(约15%,简称mitoROS high)进行骨髓移植实验比较二者的造血功能。结果发现,具有长期血液重建能力的造血干细胞主要富集在mitoROS水平低的CD34+细胞群体中。接下来,为了鉴定体外扩增培养诱导的线粒体氧化应激条件下脐血细胞中的功能性造血干细胞群,研究人员同时对mitoROS low CD34+细胞和mitoROS high CD34+细胞进行了单细胞测序分析。利用UMAP分析鉴定了19个细胞群体(cluster),其中cluster 11特异性富集了一些造血干细胞特征基因如AVP、HLF等,同时高表达人类造血干细胞自我更新的调控基因MSI2和MLLT3。通过蛋白互作分析,研究人员进一步发现mitoROS low CD34+细胞cluster 11可以被已知的造血干细胞标志物CD34、CD133(PROM1)和一个全新的标志物ADGRG1所标记。为了证明ADGRG1能够被用于富集体外培养应激条件下的功能性造血干细胞,研究人员分选了ADGRG1+CD34+CD133+和ADGRG1-CD34+CD133+细胞进行了长达8个月的骨髓移植实验。结果表明,ADGRG1可以富集体外扩增培养诱导的线粒体应激条件下具有长期血液重建能力的功能性造血干细胞。ADGRG1+造血干细胞与ADGRG1-细胞相比,细胞周期更加静息;mitoROS水平较低;“HSC COMMON gene”显著富集,而分化相关MYC靶基因显著下调。通过对ADGRG1+造血干细胞的转录组分析,研究者们发现了多个潜在的造血干细胞自我更新的调控因子。目前正在利用CRISPR技术进一步筛选鉴定其中与人类造血干细胞干性维持密切相关的基因。

该研究鉴定了体外培养应激条件下功能性造血干细胞的标志物及众多潜在的造血干细胞自我更新调控因子,丰富了人类造血干细胞生物学的理论体系,同时提供了一个筛选人类造血干细胞体外扩增激活剂的有效靶标。

上海交通大学基础医学院博士研究生陈燕丹、印第安纳大学医学院博士研究生方舒仪、上海第一人民医院丁庆伟博士和上海第六人民医院蒋荣珍博士为共同第一作者。上海交通大学医学院郭滨研究员为主要通讯作者;印第安纳大学医学院Hal E. Broxmeyer教授、万钧教授、上海第一人民医院孟庆友教授以及上海第六人民医院滕银成教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等项目支助。

原文链接:https://www.jci.org/articles/view/148329

 

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