中国医学科学院周家喜团队：解码人类巨核细胞发育 | Cell Press 对话科学家
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2020年12月18日，中国医学科学院周家喜教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell上发表了一篇新研究，题为"Decoding human megakaryocyte development "，研究团队国际上首次从单细胞尺度解析了人胚早期巨核细胞的发育异质性及分化规律，发现了巨核细胞在不同胚胎造血位点的特征差异。这项研究为人类巨核细胞发育的理解提供了新的视角，同时为体外血小板再生策略奠定了理论基础。
Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文作者团队进行了采访并对论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。
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论文摘要
由于早期胚胎中巨核细胞的稀少及相关研究方法的匮乏，目前对于巨核细胞发育的认知主要局限于形态的描述和在小鼠模型中的解读，关于人胚胎发育阶段巨核细胞的分子特征完全未知。我们在国际上首次从单细胞尺度解析了人胚早期巨核细胞的发育异质性及分化规律，发现了巨核细胞在不同胚胎造血位点的特征差异。除了经典产生血小板的群体外，我们鉴定到一群具有免疫特性的CD14阳性的巨核细胞，而这些不同特性的巨核细胞是经由不同的发育路径产生。此外，我们还发现THBS1基因能够标记具有更高巨核分化潜能的内皮细胞，并且利用该基因的表达能够追踪巨核细胞发生的整个过程。这些发现对于人类巨核细胞发育的理解提供了新的视角，同时为体外血小板再生策略奠定了理论基础。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请该论文作者团队进行了专访，为大家进一步详细解读。
CellPress：
首先请您和团队介绍一下研究初衷和起源。
周家喜教授团队：
开始这个工作之前，我们的团队一直利用干细胞模型从事血小板再生研究。我们在研究中发现了一个非常有意思的现象：并不是体外产生的所有巨核细胞均能够生成血小板，提示巨核细胞可能存在功能异质性。同时，在利用人多能干细胞—巨核细胞分化模型进行研究中，我们意识到巨核细胞的命运决定似乎比之前认知的造血细胞阶段更早，但一直缺乏足够的证据。基于此，我们与解放军总医院第五医学中心刘兵教授交流后，他基于多年研究造血起源的丰富经验，觉得这非常有意义。因此我们决定利用单细胞转录组测序技术对人胚巨核细胞异质性进行解析，并结合人多能干细胞巨核细胞分化模型回答上述问题。
CellPress：
人胚胎发育中的巨核细胞呈现什么特征？
周家喜教授团队：
本研究中，我们选取了胚胎发育早期最主要的造血发生位点卵黄囊和胎肝的巨核细胞在多个层面进行了对比分析。首先，与卵黄囊相比，胎肝的巨核细胞大小更大、倍体更高；同时二者在代谢和增殖特性上也存在显著差异，卵黄囊的巨核细胞以糖酵解为主要代谢方式，而胎肝巨核细胞的细胞周期更加活跃。同时，一个非常有意思的发现是，卵黄囊巨核细胞的细胞膜呈现两种形态：鼓泡形（with cytoplasmic blebs）和光滑性（smooth），我们推测人体最早血小板可能来自这种鼓泡形的巨核细胞。
CellPress：
巨核细胞异质性的发现对于理解其生物学功能什么启示？
周家喜教授团队：
传统认知巨核细胞的功能是产生血小板，对机体的止血功能极为重要。近年的研究发现除了产生血小板外，巨核细胞还发挥着多种功能，如作为微环境成员调控造血干细胞的静息及参与机体的免疫调节等。然而，不同的功能是由相同的还是不同特性的巨核细胞实现的仍然是未知。我们的研究发现巨核细胞是一个具有高度异质性的群体，包括生产血小板、微环境支持及免疫等特性的巨核细胞，提示巨核细胞体内功能的异质性。有意思的是，拟时序分析显示不同特性的巨核细胞经由不同的发育路径产生，且受独特的转录网络调控。而且，我们推测不同的巨核细胞会产生不同的血小板，及巨核的异质性会导致血小板的异质性，血小板异质性在机体生理和病理过程中的功能将是一个非常精彩的世界，除了血液系统的疾病之外，可能对很多疾病例如心梗、脑梗以及自身免疫病等具有重要意义。
CellPress：
该研究中鉴定到一群具有免疫特性的巨核细胞，它具有什么意义？
周家喜教授团队：
利用单细胞转录组数据分析，我们在人胚早期鉴定一个具有免疫特性的巨核细胞亚群：这个群体高表达系列免疫相关基因及富集免疫调控相关基因集。通过筛选该亚群特异表达的细胞表面标志分子，我们发现CD14能够有效标识和富集免疫特性的巨核细胞亚群。同时，利用人多能干细胞造血分化体系，在体外同样能够产生CD41+CD42+ CD14+的免疫特性巨核细胞亚群，我们推测这些巨核细胞对于早期胚胎的免疫体系的建立以及免疫监测可能具有重要功能，但还需要更多的实验数据来证实。此外，我们推测免疫巨核可能产生特殊的血小板，这也将是一个很激动人心的方向。
CellPress：
该研究发现THBS1可以追踪巨核细胞发生过程，这一发现对于理解巨核细胞发育有什么启示？
周家喜教授团队：
通过整合人胚卵黄囊/胎肝和人多能干细胞造血分化的单细胞转录组数据，我们鉴定到THBS1基因可以用于标记最早产生的巨核细胞。我们建立了THBS1-GFP原位敲入的人多能干细胞株，发现THBS1早在内皮诱导分化阶段就开始表达，功能实验表明THBS1阳性的内皮细胞具有更高的巨核分化潜能。这些发现表明人胚早期发育过程中巨核细胞的命运可能在造血细胞之前的内皮细胞阶段就已经决定。事实上，这和我们此前已有的干细胞分化认知是一致的。我们认为干细胞分化过程中，很多命运决定的窗口远比我们通常认知的要早得多。因此，干细胞分化过程决定命运也要“教育要趁早”。
CellPress：
人胚巨核细胞发育的解析对于血小板再生具有怎样的意义？
周家喜教授团队：
人多能干细胞由于具有自我更新和多向分化潜能，为临床短缺的血小板提供了重要来源。然而，当前该领域面临的核心问题是血小板产生的效率低下且功能不完善。导致这些问题的一个重要原因是无法评估体外诱导产生的巨核细胞与体内发育产生的巨核细胞的相似度，而人胚巨核细胞发育的图谱则为体外诱导产生的巨核细胞提供了重要参考。另外，通过对人胚巨核细胞单细胞转录组数据的挖掘，可以更加全面理解巨核细胞发育调控机制，指导体外高效血小板再生体系的建立。同时，研究还发现THBS1阳性表达的内皮细胞具有更高的巨核分化潜能，提示我们可以在分化早期通过诱导产生更多的THBS1阳性的内皮细胞，从而显著提高巨核细胞分化效率。此外，如前面提到的，我们坚信巨核细胞的异质性，将会导致丰富多彩的血小板世界，血小板异质性的解析及其对生理和病理过程的调控，将会对很多疾病的诊断和治疗带来深远的影响。
作者简介
周家喜
研究员
周家喜，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）研究员、博士生导师。中国细胞生物学会理事，中国细胞生物学会干细胞分会理事，天津市细胞生物学会副理事长。研究方向聚焦人多能干细胞造血分化的机理与应用研究，重点探究巨核细胞分化和血小板发生的策略与机理。同时研究各种血液病状态下血小板发生和功能变化，为疾病的诊疗提供思路。在Cell Research、JCB、PNAS、Advanced Science、Cell Reports等高水平杂志发表高水平文章20余篇，获得国家发明专利多项。
刘兵
研究员
刘兵，解放军总医院第五医学中心血液病医学部研究员、博士生导师。1996年本科毕业于第三军医大学，2002年博士毕业于第二军医大学。研究方向长期聚焦“造血、免疫系统的发育与再生”，包括发育规律、调控机制、转化研究和临床应用等，以通讯作者在Nature、Cell Stem Cell、Immunity、Cell Research、Blood等权威学术期刊发表论文多篇。
石莉红
研究员
石莉红，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）实验血液学国家重点实验室研究员、博士生导师。2008年毕业于中国科学院动物研究所，干细胞与生殖生物学国家重点实验室，获生理学博士学位，之后在美国密歇根大学医学院从事博士后研究，2014年回国并加入实验血液学国家重点实验室。研究方向主要包括：人多能干细胞（hESCs或iPSC）及造血干/祖细胞向红系定向分化的调控机制研究和红细胞疾病的发病机理研究。在Nature Medicine、Nature Communications、Blood、PNAS、Nucleic Acids Research、Bioinformatics等国际权威杂志发表SCI文章40余篇。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell上，点击“阅读原文”查看论文
▌论文标题：
Decoding human megakaryocyte development
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(20)30544-0
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.006
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