在胚胎形成過程中，干細胞的數(shù)量確保體內細胞譜系的平衡，這對于機體的正常發(fā)育非常關鍵。這些干細胞既然對于正常組織功能這么重要，那么一定需要一些質量保證機制確保干細胞的質量。但目前位置，造血干細胞和祖細胞的質量控制體系還尚不可知。
近日，美國哈佛大學Leonard I. Zon研究組在Science發(fā)文題為：Quality assurance of hematopoietic stem cells by macrophages determines stem cell clonality，發(fā)現(xiàn)造血干細胞通過與巨噬細胞相互作用，確保造血干細胞質量從而調節(jié)成年時期造血干細胞克隆的數(shù)量。
為了研究干細胞質量控制的具體機制，作者們將目光集中在了斑馬魚胚胎的血液發(fā)育。斑馬魚造血干細胞和祖細胞（Hematopoietic stem and progenitor cells，HSPCs）從背主動脈腹壁出現(xiàn)進入血液循環(huán)，并停留在尾側造血組織的血管叢（Caudal hematopoietic tissue，CHT）。造血干細胞和祖細胞在CHT中迅速擴張，然后遷移到腎骨髓中。在成體造血細胞龕中，造血干細胞和祖細胞與多種類型的細胞存在相互作用，其中包括血管內皮細胞、間充質細胞以及巨噬細胞。背主動脈腹壁產生的20-30個造血干細胞克隆最終形成成體血液系統(tǒng)【3】。但是來自背主動脈腹壁的新生造血干細胞在建立起成體造血系統(tǒng)之前是否經過質量保證還不得而知。
通過活體高分辨率成像，作者們發(fā)現(xiàn)其中有30%造血干細胞和祖細胞會與巨噬細胞存在相互作用（圖1）。作者們發(fā)現(xiàn)巨噬細胞與紅細胞、內皮細胞這種相互接觸的比例相當?shù)停謩e是0.6-3.9%以及0.5-6.7%。另外，作者們發(fā)現(xiàn)巨噬細胞與造血干細胞和祖細胞的接觸時間長達45分鐘。因此，這種相互作用是巨噬細胞與造血干細胞和祖細胞*的。
圖1 綠色標記的造血干細胞和祖細胞與品紅標記的巨噬細胞之間相互作用
通過接觸形態(tài)的不同，作者們將造血干細胞和祖細胞的相互作用分為三種類型：其一，細胞之間長時間接觸；其二，接觸過程中造血干細胞和祖細胞保持完整，但是有一小部分細胞物質被巨噬細胞吸收；其三，造血干細胞和祖細胞被巨噬細胞*吞噬并破壞。通過FUCCI標記不同細胞周期，作者們發(fā)現(xiàn)處于分裂期超過65%的造血干細胞和祖細胞會于巨噬細胞存在接觸。這些結果說明，造血干細胞和祖細胞大規(guī)模擴增之前，與巨噬細胞的接觸可能在幫助其進行質量控制。
為了更好地理解巨噬細胞與造血干細胞和祖細胞相互作用的具體機制，作者們對細胞龕巨噬細胞進行了轉錄組分析。通過單細胞RNA-seq，作者們發(fā)現(xiàn)這些與造血干細胞和祖細胞相互接觸的巨噬細胞中吞噬、溶酶體降解以及膽固醇轉運等相關的基因高度富集。進一步地，作者們通過少量細胞蛋白質分析的方法對接觸的巨噬細胞蛋白質進行了分析。作者們在造血干細胞和祖細胞與巨噬細胞接觸過程中發(fā)現(xiàn)有203個多肽高度富集，其中包括三個鈣網蛋白（圖2）。先前的研究曾經表明，鈣網蛋白會向巨噬細胞發(fā)出“吃我"的信號【4】。通過抗體免疫染色，作者們發(fā)現(xiàn)鈣網蛋白會在造血干細胞和祖細胞表面形成點狀信號，并且會促進與巨噬細胞的相互作用（圖2）。
那么鈣網蛋白是如何參與造血干細胞和祖細胞以及巨噬細胞之間的相互作用的呢？為此，作者們使用morpholino敲低鈣網蛋白，發(fā)現(xiàn)敲低的鈣網蛋白會顯著降低造血干細胞和祖細胞與巨噬細胞相互作用的比例。進一步地，通過分析鈣網蛋白在造血干細胞和祖細胞發(fā)育中的作用，作者們發(fā)現(xiàn)在CHT早期發(fā)育的增殖擴增過程中，鈣網蛋白依賴的巨噬細胞與造血干細胞和祖細胞相互作用對于造血系統(tǒng)中干細胞的擴增和維持非常重要，并且此過程與ERK/MAPK信號通路相關。
總的來說，作者們的工作發(fā)現(xiàn)巨噬細胞與造血干細胞和祖細胞之間的相互作用是造血系統(tǒng)的重要質量控制過程，這一質量控制過程依賴于造血干細胞和祖細胞表面的鈣網蛋白信號，對于成體時期血液中造血干細胞數(shù)量的維持和擴增非常關鍵。
參考文獻：
1. K. Kissa, P. Herbomel, Nature464, 112–115 (2010)
2. J. Y. Bertrand et al., Nature464, 108–111 (2010)
3. J. Henninger et al., Nat. Cell Biol.19, 17–27 (2017)
4. M. Feng et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.112, 2145–2150 (2015).
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