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文章題目：Endothelium-derived stromal cells contribute to hematopoietic bone marrow niche formation
期刊：Cell Stem Cell
日期：2020年4月
DOI：https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.01.006
摘要
骨髓基質(zhì)細(xì)胞（BMSC）在組織維持和再生中起關(guān)鍵作用。然而它們的起源并不完全清楚。在這里，研究者在人胚胎和再生骨髓中鑒定出一種共同表達內(nèi)皮和基質(zhì)標(biāo)志物罕見的LNGFR+ 內(nèi)皮細(xì)胞。這種內(nèi)皮細(xì)胞亞群擁有和內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EndoMT)一致的轉(zhuǎn)錄重編程能力，并能在移植后形成多能基質(zhì)細(xì)胞，重建骨髓造血微環(huán)境。對小鼠的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)與譜系追蹤證實了，內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化對骨前體和造血微環(huán)境池具有重要作用。IL-33在EndMT細(xì)胞亞群中高表達，并通過ST2受體信號驅(qū)動這種轉(zhuǎn)化過程。這些數(shù)據(jù)證明了小鼠和人內(nèi)皮細(xì)胞能生成具有組織形成潛力的BMSC，并可能對探究人類組織再生的方法提供理論指導(dǎo)。
數(shù)據(jù)
從小鼠胚胎骨髓分選的17000個骨髓基質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞進行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，測序平臺是10X，然后進行質(zhì)控，降維聚類等一系列的分析。數(shù)據(jù)編號E-MTAB-9994
結(jié)果解讀
1. 人類胚胎和再生骨髓中鑒定出稀有的LNGFR+ 細(xì)胞，具有內(nèi)皮和基質(zhì)細(xì)胞特性
作者團隊曾發(fā)現(xiàn)，在人類胎兒發(fā)育和損傷后的骨髓再生中發(fā)現(xiàn)一種獨特的CD105 (endoglin)+內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）亞群，又叫人類再生相關(guān)的內(nèi)皮細(xì)胞（hRECs）。對這些ECs進行轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，一些與基質(zhì)細(xì)胞命運相關(guān)的轉(zhuǎn)錄本，如THY1（CD90）和NGFR（CD271）大量表達。于是推測，在人類胚胎發(fā)育過程中可能存在一個具有基質(zhì)細(xì)胞特性的hRECs亞群，其中LNGFR（由NGFR編碼的蛋白）是已知的人類原代骨髓基質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記物。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)這類LNGFR+ EC并不存在成年人骨髓當(dāng)中，卻在胎兒骨髓和急性白血病患者化療17天后骨髓（AML17）中大量存在。人類胎兒骨骼共聚焦成像進一步顯示，位于小梁區(qū)域的竇狀內(nèi)皮中存在CD31+CD271+CD105+ 細(xì)胞。這些數(shù)據(jù)表明，一種稀有的LNGFR+ ECs 存在于人類骨骼和骨髓中，在發(fā)育和再生過程中出現(xiàn)頻率顯著增加。
圖1. 鑒定人類胚胎和再生骨髓中稀有的LNGFR陽性內(nèi)皮細(xì)胞
由于這類內(nèi)皮細(xì)胞共表達內(nèi)皮細(xì)胞和間質(zhì)標(biāo)記物，提示它們可能發(fā)生了內(nèi)皮細(xì)胞向基質(zhì)細(xì)胞表型的轉(zhuǎn)變（EndMT）。隨后作者分選出CD31- LNGFR+ BMSCs，LNGFR- hRECs和 LNGFR+ hRECs， 并進行轉(zhuǎn)錄組測序。PCA分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞群體明顯存在獨立聚類。其中，LNGFR+ hRECs聚集在LNGFR- hRECs和CD31- LNGFR+ 基質(zhì)細(xì)胞之間；隨后分析發(fā)現(xiàn)LNGFR+ hRECs與LNGFR- hRECs相比較內(nèi)皮基因明顯下調(diào)，而基質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記基因明顯上調(diào)；GSEA分析得出EndMT相關(guān)基因在LNGFR+ hRECs中是顯著富集的；同樣一些重要關(guān)鍵的EndMT調(diào)節(jié)因子也在LNGFR+ hRECs顯著表達。這些結(jié)果表示LNGFR+ hRECs具有與發(fā)生間質(zhì)轉(zhuǎn)化的ECs一致的分子特征，并可能具有原始間質(zhì)細(xì)胞分化潛能。
圖2. LNGFR+內(nèi)皮細(xì)胞表現(xiàn)經(jīng)歷間充質(zhì)轉(zhuǎn)化細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征
2. LNGFR+ hRECs通過EndMT生成eBMSCs，具備多向分化潛能
在鑒定完LNGFR+ hRECs的存在，并提出假設(shè)其可能通過EndMT分化為BMSCs。首先，作者將分選出的LNGFR+ hRECs在體外進行誘導(dǎo)培養(yǎng)，這些細(xì)胞表現(xiàn)出多能基質(zhì)細(xì)胞的特性，并且可以進一步誘導(dǎo)分化為成骨、軟骨、脂肪和造血干細(xì)胞等。這些結(jié)果提示LNGFR+ hRECs具有轉(zhuǎn)化為基質(zhì)干細(xì)胞樣細(xì)胞的能力，推測這些細(xì)胞具備分化成各類骨系細(xì)胞、支持新生造血等潛能，從而參與骨髓發(fā)育。通過一系列的實驗作者發(fā)現(xiàn)，LNGFR+ EC來源的基質(zhì)細(xì)胞群能夠在體內(nèi)進行多向成骨分化和形成造血微環(huán)境能力。
圖3. 人內(nèi)皮來源的基質(zhì)細(xì)胞（eBMSCs）具有建立在體內(nèi)造血微環(huán)境的能力
3. eBMSCs是造血微環(huán)境細(xì)胞群中一類獨特亞群
由于單細(xì)胞測序可以比較細(xì)胞亞群內(nèi)在聯(lián)系。因此，作者從17天胎齡的小鼠胚胎中分選出內(nèi)皮細(xì)胞和BMSCs進行scRNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)存在一簇同時表達內(nèi)皮和基質(zhì)特異性基因的細(xì)胞亞群，并且這類細(xì)胞富集表達EndMT相關(guān)基因。擬時態(tài)軌跡分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EndMT細(xì)胞(圖中細(xì)胞簇4)大多富集于位于ECs和BMSCs之間的分支，證實了EndMT細(xì)胞群確實來源于ECs并且是BMSCs分化過程中的中間態(tài)這一猜想。隨后，作者通過使用內(nèi)皮細(xì)胞譜系示蹤工具鼠揭示了BMSCs來源于ECs，同時還鑒定出成骨/軟骨譜系細(xì)胞(OLCs)也來源于ECs。同時，作者又比較了各亞群細(xì)胞(ECs來源或非來源的BMSCs和OLCs)的RNA-seq數(shù)據(jù)，得到了一致的結(jié)果。結(jié)果表明，在小鼠骨髓中存在一群內(nèi)皮細(xì)胞來源的基質(zhì)細(xì)胞亞群，它們表達著一些重要的造血干細(xì)胞調(diào)控因子，有助于成骨和造血微環(huán)境形成。從而證實了人類LNGR+ eBMSCs 具有成骨和骨髓組織、支持造血的潛力。
圖4. scRNA-seq鑒定小鼠骨髓發(fā)育過程中內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化細(xì)胞</figcaption>
4. IL-33通過誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞EndMT 分化為eBMSCs
首先作者發(fā)現(xiàn)IL-33在LNGFR+ hRECs中顯著高表達，隨后分別在人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和人外周血分離的內(nèi)皮集落形成細(xì)胞（endothelial colony-forming cells, ECFC）中證明IL-33能夠誘導(dǎo)EndMT，并且相關(guān)EndMT基因顯著上調(diào)；同時，作者通過一系列的實驗驗證了IL-33誘導(dǎo)的ECs具有BMSCs特性；并通過阻斷實驗，證實上述這些改變至少部分是通過ST2- SNAI2信號途徑實現(xiàn)，因為通過使用針對ST2的中和抗體進行阻斷會導(dǎo)致IL-33介導(dǎo)的EMT的部分恢復(fù)。
圖5. eBMSC促進小鼠造血微環(huán)境的形成</figcaption>
結(jié)論
哺乳動物骨髓基質(zhì)細(xì)胞在組織維持和再生中發(fā)揮關(guān)鍵作用，然而我們對于這種細(xì)胞的發(fā)育和起源仍不完全清楚。本研究通過人類和小鼠的綜合實驗，包括內(nèi)皮細(xì)胞亞群的細(xì)胞和轉(zhuǎn)錄特征，遺傳譜系追蹤，單細(xì)胞軌跡分析以及離體機制研究，證實了組織修復(fù)/再生狀態(tài)下，內(nèi)皮細(xì)胞可在IL-33誘導(dǎo)下轉(zhuǎn)化生成骨髓間質(zhì)細(xì)胞BMSCs，參與造血以及組織修復(fù)。而內(nèi)皮細(xì)胞是否轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸嘧V系組織分化的真正的基質(zhì)干細(xì)胞，或產(chǎn)生具有不同受限的分化能力的異質(zhì)基質(zhì)干/祖細(xì)胞群，這些能力是否又以復(fù)合方式促進骨髓的形成，尚待充分闡明，需進行進一步深入研究。此外，IL-33對體內(nèi)驅(qū)動內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化發(fā)生在發(fā)育中還是發(fā)生在再生中，仍尚待充分闡明。
本文亮點
- 人體骨髓存在一類內(nèi)皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記共表達的亞群
- 這些細(xì)胞通過EndoMT產(chǎn)生，能夠形成造血龕
- 內(nèi)皮來源的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是小鼠造血龕細(xì)胞的一個獨特的亞群
- IL-33驅(qū)動人內(nèi)皮細(xì)胞向基質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化
