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Cell Stem Cell 亮点!医科院、南方医大等单位联合报道造血干细胞异质性与骨髓增殖性肿瘤的临床相关性

背 景 介 绍

随着单细胞转录组测序技术的突飞猛进,使得人们对组织细胞群体的异质性有了全新的认识。同样地,作为血液系统的成体干细胞,造血干细胞亦是一个异质性很强的群体。前期研究表明造血干细胞的功能异常与多种血液疾病的发生发展相关,但迄今为止, 造血干细胞异质性对血液肿瘤等疾病发生的意义仍不明确。

费城染色体阴性的骨髓增殖性肿瘤(MPN),根据临床特征主要分为三种:真性红细胞增多症(PV),表现为红细胞增多和全骨髓增生;原发性血小板增多症(ET),以血小板增多为特征;以进行性骨髓纤维化为特征的原发性骨髓纤维化(PMF)。MPN被认为是起源于获得驱动突变的造血干细胞(HSC),然而,个体何时获得驱动突变以及突变发生后如何影响造血干细胞的功能并最终导致疾病发生发展的机理尚不清楚。同时,MPN患者通常会携带JAK2V617F突变,但是一种突变为何导致不同的疾病亚型,其内在的分子机制又是怎样的呢?

为了回答上述难题,2月22日,来自中国医学科学院血液病医院的石莉红/张磊/程涛团队联合南方医科大学王栋团队在Cell Stem Cell在线发表了题为“Hematopoietic stem cell heterogeneity is linked to the initiation and therapeutic response of myeloproliferative neoplasms”的研究性文章。该研究首次阐述了造血干细胞的异质性是如何影响血液肿瘤(MPN)的发生发展,同时也为其它类型的血液肿瘤研究提供了参考。

文章发表在Cell Stem Cell

主 要 内 容

ET-HSC表现出明显的巨核谱系倾向和IFN信号的上调

为了探究一种突变为何导致不同的疾病表型,研究人员对来自10例ET、5例PV患者以及7例健康供者的造血干细胞(Lin-CD34+CD38-CD45RA-CD123-)进行了全转录组测序。生信分析结果显示来自不同状态的HSC的数据能够较好地被区分开。在随后的分析中,他们发现VWF基因在ET-HSC中高表达,VWF是具有巨核细胞倾向的造血干细胞的标志性基因。因此,研究人员推测:ET患者的造血干细胞更具有巨核细胞分化倾向,这与该疾病的发生发展可能也存在较大的关联。后续的实验也同样证实了上述假设,即ET患者造血干细胞的增殖和巨核细胞分化潜能更强,这种现象在PV患者中却不存在

为了阐明这种巨核谱系偏向的机制,他们评估了潜在的关键调控通路的相关性,结果发现初诊的ET患者的造血干细胞中干扰素反应基因的表达水平显著上升,这提示IFN信号的上调可能是促进突变细胞巨核分化的潜在因素。随后的单细胞功能实验也证实,ET患者突变的造血干细胞对低浓度干扰素刺激更敏感,使其更易向巨核谱系进行分化

图1. ET-HSC表现出明显的巨核谱系倾向和IFN信号的上调,来源:Cell Stem Cell

造血干细胞突变状态对疾病的影响

接下来,为了评估造血干细胞的突变状态是否与巨核细胞的高倾向性和IFN反应的升高有关,研究人员使用TARGET-seq对来自ET和年龄匹配的健康供者的HSC进行单细胞测序,TARGET-seq可以在单个细胞的水平上获取其转录组信息,又能得知其精确的突变状态。结果表明,突变的ET造血干细胞,特别是纯合突变造血干细胞在巨核细胞分化和血小板功能方面具有显著富集。更有趣的是,与年龄匹配的健康人相比,ET患者的非突变造血干细胞也表达了更高水平的巨核标志性基因。这些结果表明,ET患者的造血干细胞本身就具有巨核细胞分化高潜能性,而造血干细胞的突变则会通过改变骨髓微环境以对巨核细胞分化和血小板生成更有利

图2. 造血干细胞突变状态对疾病的影响,来源:Cell Stem Cell

IFN信号通路对ET-HSC影响的验证及临床相关性

上述内容通过单细胞测序数据和生物信息学分析等方法得出了IFN对ET-HSC向巨核细胞分化及产生血小板的正向调控。随后,为了验证IFNa 和IFNg 信号对ET的影响,他们利用脐带血CD34+造血干细胞(HSPCs)分析了IFN刺激对巨核细胞分化的影响。实验结果表明,联合IFNa、IFNg 刺激(0.5-2 h)会协同促进CD41a+巨核细胞的分化,而且IFNa + IFNg刺激后产生的巨核克隆的体积也更大。

图3. IFN刺激促进巨核细胞的分化,来源:Cell Stem Cell

最后,为了阐明临床治疗ET的分子机制,研究人员筛选了单独使用干扰素治疗或联合羟基脲治疗的携带JAK2V617F突变的ET患者的造血干细胞进行了TARGET-seq,即在获得单细胞转录组信息的同时也能得到细胞的突变状态。结果表明,与未治疗的ET患者相比,所有经过治疗的ET患者的造血干细胞中IFN信号均显著上调。另外,突变状态的不同(纯合 vs 杂合)也表现出不一样的治疗后反应。

机制层面,他们发现杂合突变型造血干细胞的凋亡相关通路显著上调,而纯合突变型造血干细胞则可能恢复TSC-mTOR信号通路而重新进入休眠静息状态。这些结果提示,ET的药物治疗不仅让巨核潜能造血干细胞亚群减小,而且在分子层面,也可以通过诱导不同突变状态的细胞发生凋亡或诱导其进入休眠状态。

图4. 临床治疗ET的分子机制,来源:Cell Stem Cell

研 究 总 结

综上所述,该研究通过单细胞尺度的解析,揭示了造血干细胞异质性可能是携带相同驱动突变但产生不同临床疾病类型的骨髓增殖性肿瘤的原因之一,同时也提示造血干细的异质性也是影响血液肿瘤发生发展、治疗及复发的重要原因。

图5. 研究总结,来源:Cell Stem Cell

本研究不仅对MPN发病机制这一领域内重要难题提供了新的视角,还提示了ET治疗过程中,联合抗炎药物有可能会取得更好的治疗效果,具有潜在的临床意义。

据悉,中国医学科学院血液病医院(中国医学科学院血液学研究所)研究助理佟静媛、医生孙婷、助理研究员马士卉、博士生赵艳红、主治医师鞠满凯为该研究论文的第一作者。中国医学科学院血液病医院石莉红研究员、血栓止血中心张磊主任医师、实验血液学国家重点实验室主任程涛教授和南方医科大学王栋教授为该论文的通讯作者。

参考文献:

1.Tong et al., Hematopoietic Stem Cell Heterogeneity Is Linked to the Initiation and Therapeutic Response of Myeloproliferative Neoplasms, Cell Stem Cell (2021).

2.Jacobsen, S.E.W., and Nerlov, C. (2019). Haematopoiesis in the era of advanced single-cell technologies. Nat. Cell Biol. 21, 2–8.

3.Kiladjian, J.J., Giraudier, S., and Cassinat, B. (2016). Interferon-alpha for the therapy of myeloproliferative neoplasms: targeting the malignant clone. Leukemia 30, 776–781

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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