造血干细胞（HSC）是一类具有自我更新能力的罕见血液细胞，可持续产生成熟血液细胞以维持血液系统的稳态。虽然HSC具有分化成所有成熟血液细胞的潜能，但是近年来的单细胞研究表明，单个 HSC可在体内表现出不同的分化命运：同为多潜能干细胞，部分HSC在体内分化成全部类型的血液细胞，被称为多谱系HSC（MUL-HSC）；部分则仅分化为血小板，称为血小板限制性HSC（PLT-HSC）。然而，决定这些HSC亚型分化命运的分子机制还尚不明确。2023年5月1日，来自英国牛津大学Weatherall分子医学研究所的Claus Nerlov研究组在Nature Cell Biology上发表了题为 Epigenetic programming defines haematopoietic stem cell fate restriction 的文章，结合单细胞移植、RNA-seq及ATAC-seq等技术对这一问题进行了深入解析。由于目前仍缺乏有效的分子标记物（如细胞表面抗原·、特异性基因等）来准确分离HSC亚型，作者先从小鼠骨髓中分选出单个HSC进行移植，通过分析外周血中供体产生的血小板、红细胞、髓系细胞、B细胞及T细胞来确定供体HSC的亚型，再分选出MUL-HSC和PLT-HSC进行RNA-seq和ATAC-seq分析。研究发现，虽然PLT-HSC和MUL-HSC具有不同的淋巴细胞分化命运，但二者的淋系特异性基因表达并无差异。相反，在表观遗传水平上，MUL-HSC的淋系特异性染色质区域开放性显著高于PLT-HSC，并且这些区域大多位于远端增强子或上游调控元件，而非启动子。这一发现表明HSC在低表达或不表达淋系特异性基因的情况下，通过表观遗传来调控淋系分化命运。为了进一步阐明其中的分子机制，作者对淋系特异性启动子与上游调控元件的DNA序列进行了转录因子结合位点与足迹分析。结果表明，上游调控元件富集了多个Runx转录因子家族成员，包括Runx1、Runx2和Runx3。其中，Runx3在PLT-HSC中的表达显著低于MUL-HSC，研究人员由此推测Runx3通过结合淋系上游元件来调控HSC分化命运。为了验证这一假设，作者首先比较了年轻与衰老的HSC，发现衰老HSC中淋系上游调控元件的染色质开放性较低，同时Runx3的基因表达也低于年轻HSC，与衰老HSC较弱的淋系分化能力和较强的血小板分化偏向性相吻合。然后通过在小鼠中移植外源性表达Runx3的衰老HSC，发现过表达Runx3可以提高衰老HSC的淋系上游调控元件的染色质开放性，并使衰老HSC更倾向于生成淋系多潜能祖细胞MPP4而降低巨核-红系多潜能祖细胞MPP2的产生。这些发现表明Runx3是表观遗传调控HSC淋系分化命运的重要一环。最后，作者观察到与MUL-HSC相比，PLT-HSC在转录和表观水平上都具有较高的血小板偏向性。同时，PLT-HSC会产生同样具有较高血小板偏向性的Vwf+ MPP2，而MUL-HSC则产生Vwf- MPP2，由此推测PLT-HSC与MUL-HSC通过不同的细胞途径生成血小板。虽然体外分化实验显示这两种MPP2亚型在巨核细胞分化潜能上并没有显著差异，但体内示踪实验表明PLT-HSC比MUL-HSC更快地生成血小板。这些结果揭示了两条在分子层面与细胞水平上均独立的血小板分化途径，并验证了HSC亚型因选择性地利用这两条分化途径而表现出不同的分化动态。综上，此项研究表明表观遗传编程对于调控造血干细胞的命运决策和分化动态有着重要作用，这一发现或可应用于研究其他组织的多潜能干细胞，如肌肉干细胞及神经干细胞等。此研究为利用表观重编程改造干细胞分化方向，推动干细胞再生医学提供了重要的理论依据。牛津大学的孟一然博士为本文第一作者，Claus Nerlov教授为通讯作者。牛津大学的Joana Carrelha博士，Roy Drissen博士，任汐鹰博士，博士生张伯闻，Adriana Gambardella博士，Simona Valletta博士，德国癌症研究中心的Supat Thongjuea博士和卡罗林斯卡学院的Sten Eirik Jacobsen教授亦对本研究做出重要贡献。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41556-023-01137-5
制版人：十一
转载须知
【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。