改写教科书：Cell Research最新论文，确立哺乳动物早期血管发育的新模型

Original BioMedAdv BioMedAdv 2024-01-10

欢迎点击↑BioMedAdv关注我们

本文共计1900余字，预计阅读时间7分钟。

研究背景

心血管系统是哺乳动物胚胎发生过程中最早形成并执行功能的器官系统。血管内皮细胞(VECs)从中胚层前体开始，通过血管发生过程（包括动脉发生和静脉发生）形成遍布全身的原始血管网络。动脉发生，指的是新动脉和小动脉的形成过程，它们既可以通过毛细血管动脉化形成，也可以由已有的动脉通过旁支生长形成。在小鼠中，心脏内膜细胞在小梁收缩过程中通过新生系转换促进了很大比例的冠状动脉新生。在斑马鱼中，其后脑血管化由内皮细胞从双侧原始静脉萌发和迁移形成动脉（即原始后脑通道）。尽管在胚胎器官生成后期和损伤后组织再生过程中观察到静脉VECs向动脉的转变，但在哺乳动物早期血管系统的扩张过程中更主要的是血管分支形态形成机制。

最新研究表明，动脉新生是恢复患者受损组织有效循环的关键，而非此前所认为的非特化毛细血管扩张。阐明胚胎发育过程中动脉内皮细胞的起源和特征，将有助于对成人损伤组织动脉以及肿瘤血供循环形成的理解。然而，在早期胚胎血管生成过程中，哺乳动物体内的内皮细胞多样化过程和分子事件在动静脉命运决定中的作用仍欠理解。

主要结果

近日，暨南大学兰雨研究组、北京大学汤富酬研究组和解放军总医院第五医学中心刘兵研究组，合作在国际知名期刊Cell Research上发表题为“Heterogeneity in endothelial cells and widespread venous arterialization during early vascular development in mammals”研究论文。在本研究中，作者通过截取小鼠和人类胚胎中关键血管生成事件发生的时间窗口，构建了内血管内皮细胞(VECs)的单细胞转录组图，并且发现了两种不同的动脉VEC类型，即大动脉VEC和动脉丛VEC。而胚胎内形态特征尚且无法区分的血管丛中，VEC的动静脉特征表现出惊人的差异。

图1 | 妊娠中期小鼠胚胎中不同VEC群体的转录组鉴定

在本研究中，作者从转录组（Transcriptome）、免疫表型（Immunophenotype）和命运（Fate）三个层面解析了哺乳动物胚胎发育早期血管发生的关键事件。不仅从单细胞水平全面解析了胚胎血管发育早期VEC的异质性和动静脉特化的谱系关系，而且通过多种模型重构了早期胚内VEC的分子特征模型及动静脉特化过程，方法全面，证据扎实，为血管发育领域带来了全新认识。

例如，作者选择经典静脉特异性基因Nr2f2，敲入CrexER构建了Nr2f2-CrexER条件性报告小鼠模型，实现了体内遗传谱系示踪。作者在验证CreER所代表的Nr2f2在E8.0-E9.5的表达后，发现CreER在E8.0胚胎中并不表达在原始VEC上，而在E8.5以后具有与动脉标志Dll4完全互斥的VEC分布特征，证实了其在静脉而非动脉VEC或者原始VEC的表达模式。

不过，由于Nr2f2还在VEC以外的其他细胞类型中有表达，作者又构建了双同源重组系统Tie2-Dre;Nr2f2-CrexER小鼠模型，使得Cre介导的重组事件仅发生在表达Nr2f2的VEC中从而实现所示踪血管结构的全景可视化。总之，本文作者利用新开发的Nr2f2 CrexER小鼠模型和双重组酶介导的交叉遗传方法对静脉特征的VECs进行了计算预测和深度的谱系追踪，发现具有明显静脉特征的毛细血管在早期出现了广泛的动脉化特征。

图2 | 胚胎中不同VEC群体的解剖定位

全文总结

总之，作者的发现为早期血管生成阶段的内皮细胞异质性和谱系关系提供了前所未有的全面细节，并建立了一个关于早期胚胎内动脉血管生成过程的新模型。更重要的是，本研究在国际上首次揭示了胚胎发育过程中最早发生以及最广泛存在的静脉-动脉命运转化事件，改写了胚内血管发育早期阶段动静脉形成方式的传统模型。

此外，作者建立了迄今为止哺乳动物胚胎血管发育早期最为完整和全面的VEC单细胞转录组图谱（包括从108只小鼠胚胎和8个人胚中取样的10,000多个VEC单细胞转录组数据）。值得一提的是，本研究中依据单细胞转录组数据分群所鉴定的所有VEC群体，都经过了免疫表型和组织学的确证和回溯、以及转录组的再验证。而作者开发的一系列极具研究价值的动静脉VEC相关小鼠模型（包括两种泛动脉VEC的荧光报告小鼠模型和两种静脉VEC的Cre小鼠模型），也将有助于推动血管发育生物学、血管血管疾病以及肿瘤抗血管生成等领域的研究进展。

参考文献

Hou, S., Li, Z., Dong, J. et al. Heterogeneity in endothelial cells and widespread venous arterialization during early vascular development in mammals. Cell Res (2022). https://doi.org/10.1038/s41422-022-00615-z