2021-03-23
背 景 介 紹
隨著單細胞轉錄組測序技術的突飛猛進，使得人們對組織細胞群體的異質性有了新的認識。同樣地，作為血液系統的成體干細胞，造血干細胞亦是一個異質性很強的群體。前期研究表明造血干細胞的功能異常與多種血液疾病的發生發展相關，但迄今為止, 造血干細胞異質性對血液腫瘤等疾病發生的意義仍不明確。
費城染色體陰性的骨髓增殖性腫瘤（MPN），根據臨床特征主要分為三種：真性紅細胞增多癥（PV），表現為紅細胞增多和全骨髓增生；原發性血小板增多癥（ET），以血小板增多為特征；以進行性骨髓纖維化為特征的原發性骨髓纖維化（PMF）。MPN被認為是起源于獲得驅動突變的造血干細胞（HSC），然而，個體何時獲得驅動突變以及突變發生后如何影響造血干細胞的功能并最終導致疾病發生發展的機理尚不清楚。同時，MPN患者通常會攜帶JAK2V617F突變，但是一種突變為何導致不同的疾病亞型，其內在的分子機制又是怎樣的呢？
為了回答上述難題，2月22日，來自中國醫學科學院血液病醫院的石莉紅/張磊/程濤團隊聯合南方醫科大學王棟團隊在Cell Stem Cell在線發表了題為“Hematopoietic stem cell heterogeneity is linked to the initiation and therapeutic response of myeloproliferative neoplasms”的研究性文章。該研究首次闡述了造血干細胞的異質性是如何影響血液腫瘤（MPN）的發生發展，同時也為其它類型的血液腫瘤研究提供了參考。
文章發表在Cell Stem Cell
主 要 內 容
ET-HSC表現出明顯的巨核譜系傾向和IFN信號的上調
為了探究一種突變為何導致不同的疾病表型，研究人員對來自10例ET、5例PV患者以及7例健康供者的造血干細胞（Lin-CD34+CD38-CD45RA-CD123-）進行了全轉錄組測序。生信分析結果顯示來自不同狀態的HSC的數據能夠較好地被區分開。在隨后的分析中，他們發現VWF基因在ET-HSC中高表達，VWF是具有巨核細胞傾向的造血干細胞的標志性基因。因此，研究人員推測：ET患者的造血干細胞更具有巨核細胞分化傾向，這與該疾病的發生發展可能也存在較大的關聯。后續的實驗也同樣證實了上述假設，即ET患者造血干細胞的增殖和巨核細胞分化潛能更強，這種現象在PV患者中卻不存在。
為了闡明這種巨核譜系偏向的機制，他們評估了潛在的關鍵調控通路的相關性，結果發現初診的ET患者的造血干細胞中干擾素反應基因的表達水平顯著上升，這提示IFN信號的上調可能是促進突變細胞巨核分化的潛在因素。隨后的單細胞功能實驗也證實，ET患者突變的造血干細胞對低濃度干擾素刺激更敏感，使其更易向巨核譜系進行分化。
圖1. ET-HSC表現出明顯的巨核譜系傾向和IFN信號的上調，來源：Cell Stem Cell
造血干細胞突變狀態對疾病的影響
接下來，為了評估造血干細胞的突變狀態是否與巨核細胞的高傾向性和IFN反應的升高有關，研究人員使用TARGET-seq對來自ET和年齡匹配的健康供者的HSC進行單細胞測序，TARGET-seq可以在單個細胞的水平上獲取其轉錄組信息，又能得知其突變狀態。結果表明，突變的ET造血干細胞，特別是純合突變造血干細胞在巨核細胞分化和血小板功能方面具有顯著富集。更有趣的是，與年齡匹配的健康人相比，ET患者的非突變造血干細胞也表達了更高水平的巨核標志性基因。這些結果表明，ET患者的造血干細胞本身就具有巨核細胞分化高潛能性，而造血干細胞的突變則會通過改變骨髓微環境以對巨核細胞分化和血小板生成更有利。
圖2. 造血干細胞突變狀態對疾病的影響，來源：Cell Stem Cell
IFN信號通路對ET-HSC影響的驗證及臨床相關性
上述內容通過單細胞測序數據和生物信息學分析等方法得出了IFN對ET-HSC向巨核細胞分化及產生血小板的正向調控。隨后，為了驗證IFNa 和IFNg 信號對ET的影響，他們利用臍帶血CD34+造血干細胞（HSPCs）分析了IFN刺激對巨核細胞分化的影響。實驗結果表明，聯合IFNa、IFNg 刺激（0.5-2 h）會協同促進CD41a+巨核細胞的分化，而且IFNa + IFNg刺激后產生的巨核克隆的體積也更大。
圖3. IFN刺激促進巨核細胞的分化，來源：Cell Stem Cell
最后，為了闡明臨床治療ET的分子機制，研究人員篩選了單獨使用干擾素治療或聯合羥基脲治療的攜帶JAK2V617F突變的ET患者的造血干細胞進行了TARGET-seq，即在獲得單細胞轉錄組信息的同時也能得到細胞的突變狀態。結果表明，與未治療的ET患者相比，所有經過治療的ET患者的造血干細胞中IFN信號均顯著上調。另外，突變狀態的不同（純合 vs 雜合）也表現出不一樣的治療后反應。
機制層面，他們發現雜合突變型造血干細胞的凋亡相關通路顯著上調，而純合突變型造血干細胞則可能恢復TSC-mTOR信號通路而重新進入休眠靜息狀態。這些結果提示，ET的藥物治療不僅讓巨核潛能造血干細胞亞群減小，而且在分子層面，也可以通過誘導不同突變狀態的細胞發生凋亡或誘導其進入休眠狀態。
圖4. 臨床治療ET的分子機制，來源：Cell Stem Cell
研 究 總 結
綜上所述，該研究通過單細胞尺度的解析，揭示了造血干細胞異質性可能是攜帶相同驅動突變但產生不同臨床疾病類型的骨髓增殖性腫瘤的原因之一，同時也提示造血干細的異質性也是影響血液腫瘤發生發展、治療及復發的重要原因。
圖5. 研究總結，來源：Cell Stem Cell
本研究不僅對MPN發病機制這一領域內重要難題提供了新的視角，還提示了ET治療過程中，聯合抗炎藥物有可能會取得更好的治療效果，具有潛在的臨床意義。
據悉，中國醫學科學院血液病醫院（中國醫學科學院血液學研究所）研究助理佟靜媛、醫生孫婷、助理研究員馬士卉、博士生趙艷紅、主治醫師鞠滿凱為該研究論文的第一作者。中國醫學科學院血液病醫院石莉紅研究員、血栓止血中心張磊主任醫師、實驗血液學國家重點實驗室主任程濤教授和南方醫科大學王棟教授為該論文的通訊作者。
參考文獻:
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