Nature單細胞測序繪制首個人胚胎造血和免疫系統發育圖譜

　　哺乳動物的造血與免疫系統發育是在胚胎發育過程中由多個組織以復雜的協同作用所驅動的【1】。盡管研究界對于人體中這一過程所涉及的功能主體和時間序列都有了較為準確的認識，例如造血干細胞是先從受孕后2至3周的胚胎外卵黃囊（yolk sac）中，以及從3至4周的胚胎主動脈-性腺-中腎區域（aorta-gonad-mesonephros, AGM）內遷移出，主要在胚胎肝中形成血細胞，并使得胚肝成為第二個妊娠期（三個月為一周期）的期中前最主要的造血器官【2】；然而，由于倫理因素等限制導致了用于研究的人胚胎組織器官的缺乏，且小鼠與人之間具有相當程度的胚胎發育模式差異【3】，胚胎早期造血和免疫系統發育的詳細過程仍未能獲得完全解析。由于人胚胎造血過程和先天性免疫缺陷及兒童白血病等疾病存在直接關聯，對這一生理過程的分子機制進行深入研究具有顯著的臨床意義。

　　2019年10月10日，來自英國Newcastle University和Wellcome Sanger Institute等機構的科學家在Nature上以長文形式發表了題為Decoding human fetal liver haematopoiesis的研究，首次報道了由胎肝驅動的人胚胎造血和免疫系統發育過程的單細胞圖譜。

　　在該項研究中，作者首先制備了受孕后4周至17周的人胚胎肝臟、卵黃囊、腎臟和皮膚組織單細胞懸液，隨后利用流式細胞術和單細胞測序技術對其進行了轉錄組基因表達定量分析，從而構建了完整的人胚胎造血和免疫系統發育圖譜（下圖）。在通過了質量控制的約20萬個來自不同組織和時間點的細胞中，作者依據基因表達特征將其劃分為27個細胞類型，這一分類結果得到了后續的流式細胞術分選和大體RNA測序的聯合分析，以及基于細胞離心涂片的形態學分析的驗證。上述結果表明這一人胚胎造血和免疫系統發育單細胞測序數據集具有較高的質量和解析率。

　　利用這一單細胞圖譜數據集，作者試圖挖掘其中蘊含的關于造血細胞各階段發育路徑和信息，以及不同造血和免疫細胞群之間在不同胚胎發育階段中，或不同胚胎組織中的互作交流模式。為此，作者主要利用了基于力導向圖（force-directed graph）算法的數據降維方法【4】，以高維度基因表達譜為依據，推測了造血和免疫細胞的發育路徑（developmental trajectory）。如下圖所示，這一路徑推測分析給出了三個符合已知研究結果的由造血干細胞生發的血液系統細胞主要發育過程，包括紅系細胞（erythroid）—巨核細胞（megakaryocyte）—肥大細胞（mast cell）系、B/T淋巴細胞系 (lymphoid) 、及髓系細胞系（myeloid）。上述分析以極高的時空分辨率揭示了人胚胎發育過程中完整的血液、免疫系統動態變化過程，在契合現存大體知識框架的前提下為這一復雜生物學現象補充了豐富的細節。

　　利用上述的發育路徑推測分析及對特定細胞群基因表達時間序列的動態分析，作者還揭示了多項關于胚胎造血及免疫系統發育的關鍵事件和重要過程，例如：樹突狀細胞（dendritic cell）群早在受孕后7周就出現于胎肝和非淋巴系組織（non lymphoid tissue, NLT）中；漿細胞樣（plasmacytoid）樹突狀細胞可同時由早期髓系前體細胞或前原B細胞（pre pro-B cell）分化而來，照應了之前在小鼠造血系統發育研究中觀察到的同一現象【5】；先天淋巴細胞（innate lymphoid cell）、自然殺傷細胞（natural killer cell）和巨噬細胞（macrophage）等在遷移至腎臟、皮膚等非淋巴系組織后，會在對應分子微環境的影響下開始表達組織特異性趨化因子（chemokine）等。

　　總之，這項研究克服了人體胚胎組織在收集方面的困難，利用細分時間點的單細胞水平測序對子宮內人體造血和免疫系統發育的動態過程進行了精準刻畫，揭示了造血干細胞分化為各類血細胞和免疫細胞及遷移至不同器官中進行功能特化的路徑，為理解這一涉及眾多功能主體和復雜互作交流的生物學過程提供了極大的助力，是發育生物學、免疫生物學和血液生物學領域中不可多得的寶貴資源。

　　注：該研究已于2019年5月31日上傳至bioRxiv預印本網站。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-019-1652-y

　　參考文獻

　　1. Holt, P. G. & Jones, C. A. The development of the immune system during pregnancy and early life. Allergy: European Journal of Allergy and Clinical Immunology (2000). doi:10.1034/j.1398-9995.2000.00118.x

　　2. Medvinsky, A., Rybtsov, S. & Taoudi, S. Embryonic origin of the adult hematopoietic system: Advances and questions. Development (2011). doi:10.1242/dev.040998

　　3. Parekh, C. & Crooks, G. M. Critical differences in hematopoiesis and lymphoid development between humans and mice. Journal of Clinical Immunology (2013). doi:10.1007/s10875-012-9844-3

　　4. Setty, M. et al. Wishbone identifies bifurcating developmental trajectories from single-cell data. Nat. Biotechnol. 34, 637–645 (2016).

　　5. Tusi, B. K. et al. Population snapshots predict early haematopoietic and erythroid hierarchies. Nature (2018). doi:10.1038/nature25741