绘制人类造血功能发育调控单细胞图谱

1、人类造血系统的发育起始于胚胎期，造血干细胞(HSC)首先出现在主动脉-性腺-中肾(AGM)区域，并且随着发育进程进一步转移至胎儿肝脏(fetal liver，FL)。胎肝是发育早期主要的造血器官，造血功能随后迁移到骨髓中(fetal bone marrow)。在婴儿出生时，骨髓成为主要的造血器官。尽管目前已经有研究报道了小鼠/斑马鱼/人类个体发育过程中造血系统发生发展的单细胞图谱，但还没有对人类发育各个阶段的Lin-CD34+的造血干祖细胞(Hematopoietic stem/progenitor cell,HSPC)在同一平台下进行直接比较。为了进一步理解Lin-CD34+ HSPC在人类

2、不同发育阶段的发展变化，2021年9月14日，来自英国牛津大学Weatherall Institute of Molecular Medicine研究所的多个课题组合作在Cell Reports上发表了文章Transitions in lineage specification and gene regulatory networks in hematopoietic stem/progenitor cells over human development，首次对比了四个不同发育阶段，即妊娠早期的胎肝(eFL)、妊娠中期的胎肝(FL)和胎骨髓(FBM)、儿童时期的骨髓(PBM)、成人时期的骨髓

3、(ABM)Lin-CD34+细胞的单细胞转录组数据, 并且使用自主开发的单细胞分析软件SingCellaR进行了深度分析。这一研究发现HSPC在人类发育过程中存在明显的时空差异。首先，研究人员对来自不同发育时期和位置的单细胞样品的数据进行了整合，基于差异表达基因、谱系特征基因等方法，构建了HSPC的单细胞转录组图谱，注释了包括HSC/MPP细胞、Erythroid/Megakaryocyte Progenitor(红系/巨核)、Myeloid(髓系)和Lymphoid(淋巴系)等21个不同的细胞类型。通过使用细胞数量的百分比以及DA-seq【1】等算法，研究者进一步分析了不同的各个发育阶段中不

4、同细胞谱系的丰度。结果发现巨核细胞和红细胞在早期胎儿肝脏(eFL)中比例较高，但是在发育过程中，特别是骨髓开始造血后，淋巴和髓系的祖细胞出现了显著的扩增，骨髓中的淋巴组细胞比例的出生后逐渐降低。利用该单细胞图谱数据集，研究者综合力导向图(force directed graph)算法和扩散映射(diffusion map)算法进一步分析了造血干细胞起始发育轨迹(developmental trajectory)，包括红系、巨核细胞、淋巴细胞系和髓系细胞系，并结合Monocle3的拟时序分析，对各个发育路径中的关键基因的表达进行分析发现，在不同的发育阶段，不同的谱系呈现不同的表达谱。研究人员还通

5、过pySCENIC对各个发育轨迹的主要转录因子进行了分析。这批数据为今后Lin-CD34+HSPC的发育研究提供了非常好的资源，可以作为参考数据集来研究年龄特异性的血液疾病。例如研究人员将这一数据集和此前发表的两类血液疾病，多发于儿童的幼年型粒单核细胞白血病 (JMML)和多发于老年人的骨髓纤维化(MF)的数据集进行了整合分析，进一步比较了JMML和MF这两种血液疾病和正常造血系统的时空发育的转录组异同。综上，这项研究克服了诸如收集不同时间尺度样品方面等困难，使用同一单细胞建库平台(10X genomics)对人类造血细胞发育阶段进行了动态图谱刻画，该研究提供了人类发育过程中来自不同发育阶段的肝脏和骨髓的HSPC的高分辨率单细胞转