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題目：Single-cell transcriptomic analysis identifies an immune-prone population in erythroid precursors during human ontogenesis

作者：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液學(xué)研究所）石莉紅研究員、周家喜研究員與解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心劉兵研究員、暨南大學(xué)蘭雨研究員合作

期刊：Nature Immunology

2022年6月27日，在線發(fā)表了題為Single-cell transcriptomic analysis identifies an immune-prone population in erythroid precursors during human ontogenesis的研究論文。該研究對人體多個(gè)發(fā)育階段位點(diǎn)（卵黃囊、胎肝、早產(chǎn)及正常臍帶血和成人骨髓）的有核紅細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析，構(gòu)建了人類有核紅細(xì)胞從胚胎到成年的細(xì)胞和分子全景圖，揭示了有核紅細(xì)胞的異質(zhì)性和發(fā)育階段特異性，鑒定并證實(shí)了一個(gè)有核紅細(xì)胞新功能群體─免疫調(diào)控紅細(xì)胞亞群?？傊?，這一研究不但開辟了紅細(xì)胞免疫調(diào)控生理及病理研究新領(lǐng)域，而且為紅細(xì)胞體外生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
首先，研究人員對不同發(fā)育階段的有核紅細(xì)胞進(jìn)行無偏頗分析，發(fā)現(xiàn)其整體可以分為經(jīng)典有核紅細(xì)胞亞群和具有免疫調(diào)控特征的有核紅細(xì)胞亞群。對經(jīng)典有核紅細(xì)胞亞群的深入分析揭示了不同位點(diǎn)來源有核紅細(xì)胞在信號通路和轉(zhuǎn)錄調(diào)控等方面的差異，發(fā)現(xiàn)了卵黃囊有核紅細(xì)胞具備的離子轉(zhuǎn)運(yùn)、高蛋白合成等獨(dú)特的性質(zhì)。此外，為了更進(jìn)一步指導(dǎo)體外再生，研究人員還將體內(nèi)紅細(xì)胞與體外胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化而來的紅細(xì)胞進(jìn)行了平行比較，發(fā)現(xiàn)由體外產(chǎn)生的紅細(xì)胞存在蛋白合成不足、代謝紊亂等缺陷，這可能是體外無法高效產(chǎn)生功能性紅細(xì)胞的原因之一。
隨后，研究人員將重點(diǎn)聚焦在上述發(fā)現(xiàn)的免疫調(diào)控紅細(xì)胞亞群，時(shí)序分析發(fā)現(xiàn)該亞群具有與經(jīng)典紅細(xì)胞不同的分化路徑。通過計(jì)算，研究人員篩選到免疫調(diào)控紅細(xì)胞亞群中特異性高表達(dá)的表面標(biāo)志CD63，并在人胎肝組織原位檢測到CD63表達(dá)的有核紅細(xì)胞。為了進(jìn)一步探究該細(xì)胞亞群的功能，研究人員從人胎肝、臍帶血及成年骨髓多個(gè)位點(diǎn)分選出表達(dá)CD63的有核紅細(xì)胞亞群，并將其與不同的免疫細(xì)胞群體共孵育，發(fā)現(xiàn)其顯著促進(jìn)了免疫細(xì)胞中炎癥因子的分泌，證明了該亞群的免疫調(diào)控功能。細(xì)胞間互作（受配體對）分析還發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)典有核紅細(xì)胞相比，免疫調(diào)控紅細(xì)胞與各種免疫細(xì)胞之間存在更廣泛、更強(qiáng)的潛在相互作用。此外，免疫調(diào)控紅細(xì)胞還兼容了紅細(xì)胞與免疫細(xì)胞兩套轉(zhuǎn)錄調(diào)控?？傊@些結(jié)果證明了免疫調(diào)控紅細(xì)胞亞群的調(diào)控功能，并提供了免疫調(diào)控紅細(xì)胞調(diào)控免疫細(xì)胞的分子基礎(chǔ)。
綜上所述，該研究對人體發(fā)育過程中多個(gè)器官有核紅細(xì)胞的分子表征和異質(zhì)性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，揭示了人早期胚胎紅細(xì)胞獨(dú)特的分子特征，為紅細(xì)胞領(lǐng)域提供了非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)資源，為體外批量產(chǎn)生功能性紅細(xì)胞奠定了理論基礎(chǔ)；同時(shí)，本研究還成功鑒定和驗(yàn)證了免疫紅細(xì)胞亞群的存在，開拓了有核紅細(xì)胞的新功能研究領(lǐng)域。免疫調(diào)控紅細(xì)胞作為免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的新成員，有望重塑機(jī)體穩(wěn)態(tài)及疾病狀態(tài)下的免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，將為深刻認(rèn)知多種重大疾病的發(fā)生、發(fā)展及治療中的免疫調(diào)控提供全新的視角。
石莉紅研究員、劉兵研究員、周家喜研究員與蘭雨研究員為本研究共同通訊作者。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液學(xué)研究所）博士生徐長祿、副研究員王洪濤、博士生張英楠、碩士生吳靜，西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院賀健博士，天津市中心婦產(chǎn)科醫(yī)院趙璐主任為本研究共同第一作者。

專家點(diǎn)評

安秀麗（紐約血液中心）哺乳動物的紅細(xì)胞是血液中數(shù)量最多的血細(xì)胞，其分化發(fā)育受到精細(xì)的調(diào)控，有核紅細(xì)胞逐步成熟，并最終脫核產(chǎn)生成熟紅細(xì)胞，后者的雙凹圓餅狀可以使其最大限度地從周圍攝取氧氣，同時(shí)血紅蛋白也是紅細(xì)胞中含量最高的蛋白質(zhì)。紅細(xì)胞這些特性決定了它的主要功能，即進(jìn)行氧氣和二氧化碳的運(yùn)輸。然而，前期的絕大多數(shù)研究都是基于臍帶血、成人骨髓或體外紅系誘導(dǎo)分化體系進(jìn)行的，對于人胚早期的紅細(xì)胞功能異質(zhì)性和分子特征還知之甚少。來自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液學(xué)研究所）石莉紅研究員、周家喜研究員與解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心劉兵教授、暨南大學(xué)蘭雨教授合作在Nature Immunology發(fā)表的這一研究論文，對來自人卵黃囊、胎肝、早產(chǎn)及正常臍帶血和成人骨髓的有核紅細(xì)胞異質(zhì)性和分子特征進(jìn)行了精細(xì)解析，闡明了不同來源有核紅細(xì)胞獨(dú)有的特性，同時(shí)還鑒定并驗(yàn)證了一群具有免疫調(diào)控功能的有核紅細(xì)胞亞群，將紅細(xì)胞的功能學(xué)研究拓展到新的維度，增加了人們對于紅細(xì)胞功能異質(zhì)性的認(rèn)知。本研究從紅細(xì)胞出現(xiàn)的第一個(gè)解剖位點(diǎn)出發(fā)，解析了有核紅細(xì)胞從胚胎到成體的分子構(gòu)成，同時(shí)也填補(bǔ)了人胚早期發(fā)育階段紅細(xì)胞分子特征的空白，對紅細(xì)胞領(lǐng)域具有重要參考價(jià)值。此外，他們在人卵黃囊紅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的獨(dú)有的離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能提示該時(shí)期的紅細(xì)胞可能具有支持胎兒正常發(fā)育的功能，這為將來探究胚胎早期紅細(xì)胞的功能提供了新的研究方向。體外大量生產(chǎn)功能性紅細(xì)胞也是紅細(xì)胞研究領(lǐng)域一直未解決的難題，這主要?dú)w結(jié)于我們對體內(nèi)外紅細(xì)胞生成過程中存在的分子差異了解不足。在這項(xiàng)研究中，他們還將由人胚胎干細(xì)胞體外誘導(dǎo)分化產(chǎn)生的有核紅細(xì)胞和體內(nèi)來源的有核紅細(xì)胞進(jìn)行了平行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人胚胎干細(xì)胞分化而來的有核紅細(xì)胞存在著代謝異常、蛋白質(zhì)合成不足等，包括細(xì)胞凋亡和鐵死亡增加，自噬和溶酶體活性被激活等。這些發(fā)現(xiàn)可以給我們一些新的啟示去指導(dǎo)我們優(yōu)化體外紅細(xì)胞生成體系，比如抑制凋亡的發(fā)生，降低自噬和溶酶體活性等來提高體外體系產(chǎn)生紅細(xì)胞的效率。總而言之，該合作團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作對人紅細(xì)胞分化發(fā)育研究具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)提供了珍貴的參考數(shù)據(jù)。人胚早期發(fā)育階段紅細(xì)胞功能異質(zhì)性和分子特征的全面解析可以幫助我們更加深入認(rèn)識紅細(xì)胞疾病，尤其是兒童紅細(xì)胞相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制，從而為開發(fā)新的治療方法奠定理論基礎(chǔ)；另外這篇研究還為體外紅細(xì)胞的批量生產(chǎn)提供了理論支持，使得體外大量生產(chǎn)血液成分替代品成為可能。專家點(diǎn)評[圖片上傳失敗...(image-e546d0-1656383051115)]

胡洪波（四川大學(xué)）紅細(xì)胞數(shù)量多，起源早（胚胎期第一波造血即有紅細(xì)胞的產(chǎn)生），一直以來被認(rèn)為是一群高同質(zhì)性的細(xì)胞，是血液和機(jī)體內(nèi)氧氣供應(yīng)和運(yùn)輸?shù)妮d體，其發(fā)育和功能缺陷造成的貧血及其他疾病也均于此相關(guān)；而對紅細(xì)胞異質(zhì)性和攜氧之外的功能了解甚少。針對這一未知領(lǐng)域，石莉紅研究員、劉兵研究員、周家喜研究員與蘭雨研究員合作發(fā)表在Nature Immunology中的文章，通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)合表型鑒定和功能分析，首先解析了紅細(xì)胞的功能異質(zhì)性，分成經(jīng)典和非經(jīng)典紅細(xì)胞。其中，卵黃囊經(jīng)典紅細(xì)胞具有更高的離子轉(zhuǎn)運(yùn)、蛋白合成等功能特征。更重要的是，該研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的具有免疫調(diào)節(jié)功能的紅細(xì)胞亞群，該細(xì)胞亞群富集免疫反應(yīng)、細(xì)胞因子介導(dǎo)信號通路相關(guān)基因和受體，如IL1B、TNFSF10和TNFSF13B等。GATA2在免疫調(diào)控紅細(xì)胞特異性高表達(dá)，提示GATA2有可能在免疫調(diào)控紅細(xì)胞發(fā)育和/或免疫相關(guān)功能起重要作用。此外，該細(xì)胞亞群出現(xiàn)在最早的造血位點(diǎn)卵黃囊，并存在于之后的胎肝、臍帶血以及成人骨髓中，說明免疫調(diào)控紅細(xì)胞不是僅存在某個(gè)特定造血發(fā)生位點(diǎn)和胚胎發(fā)育階段。通過轉(zhuǎn)錄組和流式細(xì)胞分析，他們還確定了CD63可作為免疫調(diào)控紅細(xì)胞特異性表面分子和分選標(biāo)志物，并分選了這群細(xì)胞進(jìn)行免疫功能驗(yàn)證。結(jié)果表明，在有LPS刺激的條件下，免疫調(diào)控紅細(xì)胞能調(diào)控人外周血單個(gè)核細(xì)胞，特別是CD11b+巨噬/單核細(xì)胞產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子的能力；細(xì)胞間相互作用分析提示免疫調(diào)控紅細(xì)胞可通過KLRC1—HLA-E調(diào)節(jié)NK細(xì)胞活性、通過MIF-CD74調(diào)節(jié)B細(xì)胞的功能等。綜上，該研究鑒定并證明了具有免疫調(diào)控功能的紅細(xì)胞亞群，開拓了紅細(xì)胞發(fā)育和功能研究的新領(lǐng)域，為研究生理、病理?xiàng)l件下免疫穩(wěn)態(tài)維持的機(jī)制提供了新線索，同時(shí)也提出了很多有意思的研究方向，例如：小鼠體內(nèi)是否存在對應(yīng)的免疫調(diào)控紅細(xì)胞亞群？其發(fā)育軌跡、起源、功能和人源的免疫調(diào)控紅細(xì)胞有哪些異同？雖然本研究比較了卵黃囊、胎肝、臍帶血和骨髓中免疫調(diào)控紅細(xì)胞分子特征的差異，但其本質(zhì)的功能異同是怎樣的？又提示著怎樣的生理學(xué)意義？總而言之，該研究有望開辟紅細(xì)胞及免疫調(diào)控領(lǐng)域的新方向，加深人們對于穩(wěn)態(tài)和疾病狀態(tài)下免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知，同時(shí)為開發(fā)靶向機(jī)體免疫調(diào)控功能的治療方案提供了全新的視角。