文献分享：Differentiation of transplanted haematopoietic stem cells tracked by single-cell transcriptomic analysis
通过单细胞转录组学分析追踪移植的造血干细胞分化
（2023级博士研究生刘晗琪）
造血干细胞（Haematopoietic Stem Cells, HSCs）能重塑整个造血系统，为再生医学和器官移植领域提供宝贵的资源。而在临床实践中，患者接受干细胞移植前通常需要进行化疗或全身放疗预处理。在这种情况下，移植的HSCs能否与微环境相适应，并在早期有序增殖，对于长期植入和最终移植成功至关重要。尽管科学家们对造血干细胞的归巢、定居、定位、龛相互作用和增殖已有广泛研究，但移植后HSCs的具体行为模式仍不明晰。
2020年，中国科学院血液学国家重点实验室的程涛、朱平以及英国剑桥大学血液学系的Berthold Göttgens共同通讯在Nature Cell Biology发表题为“Differentiation of transplanted haematopoietic stem cells tracked by single-cell transcriptomic analysis”的研究论文。借助单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）技术在单细胞水平上定义细胞分类、追踪分化过程，并揭示转录网络，全面表征了造血系统中的28个细胞群体，并应用基于转录组的分类方法追踪了造血干细胞移植后的供体来源细胞。这项研究不仅有助于深化对造血干细胞移植过程的理解，还为优化移植策略、提高治疗效果开辟了新的途径。
图1 免疫表型造血干细胞（immunophenotypical HSCs, iHSCs）的单细胞转录组（摘自Nature Cell Biology）。iHSCs的scRNA-seq显示了显著的转录异质性。根据基因表达谱将iHSCs分为三个不同的转录簇（tHSC1, tHSC2, tHSC3）。tHSC1包含了来自所有iHSC群体的细胞，并且显示出最强的HSC特征基因表达，表明它代表了最原始的HSC状态。其中，tHSC1处于活跃状态，而tHSC3更倾向于向淋巴系分化。
图2 免疫表型多能祖细胞（immunophenotypical multipotent progenitors, iMPPs）的单细胞转录组和造血细胞的轨迹分析（摘自Nature Cell Biology）。对iMPPs的转录组分析识别出五个不同的转录簇。tMPP群体显示出不同程度的谱系预示，其中tMPP1最接近HSCs，而其他群体则显示出向特定谱系分化的倾向。轨迹分析揭示了从HSCs到MPPs的连续过程，并清晰地分支为髓系和淋巴系谱系，为早期造血分化提供了参考图谱。
图3 HSC移植后植入细胞的细胞组成（摘自Nature Cell Biology）。移植后的HSCs表现出快速的分化响应。从移植后第1天开始，供体细胞就已经表现出多能祖细胞和部分谱系祖细胞的转录特征。这一发现挑战了传统认为HSCs在移植初期主要进行自我更新的观点。随着时间推移，供体细胞群中出现了更多的谱系特异性前体细胞，表明分化过程在持续进行。
图4 移植后供体来源细胞的细胞分裂（摘自Nature Cell Biology）。移植的HSC在第1天转录组的快速改变并不依赖于细胞分裂。
图5 移植HSCs随时间的变化及分化趋势（摘自Nature Cell Biology）。tHSC2细胞在再生压力下呈现出一种激活的反应，以满足对分化功能细胞的迫切需求，而tHSC1细胞在再生压力下保持HSC库处于静息状态。在移植后的tMPPs中，髓系和红系分化处于平稳状态，而淋巴系分化受到抑制。
图6 移植后供者来源细胞的功能评估（摘自Nature Cell Biology）。研究者们通过使用单细胞集落形成分析和二次移植来检测移植后供体来源细胞的植入和分化潜能，发现移植后的HSCs从第1天开始就表现出多谱系分化潜能，而不是大量自我更新。随时间推移，供体细胞的多谱系潜能逐渐减弱，长期重建能力有限，表明HSCs主要通过分化而非扩增来重建造血系统。这些功能实验结果与转录组分析一致，共同支持了HSCs在移植后快速分化的新模型。
图7 在HSC移植的早期阶段出现谱系前体细胞（摘自Nature Cell Biology）。移植的HSC可能早在1天就通过“旁路”轨迹直接程序化成红系和髓系，表明HSC分化甚至可以在第一次细胞分裂之前发生。
移植的HSCs分化后大部分集中于tMPPs，提示 tMPPs可能是主要的造血动力基地，并有向红-巨核细胞和髓系分化的倾向。该研究结果挑战了传统的HSC移植后“先扩增后分化”模型。研究表明，移植后的HSCs主要通过快速分化而非大量扩增来重建造血系统。这种策略可能有助于快速恢复受体的造血功能，同时保持一定数量的HSCs用于长期造血维持。这一发现不仅改变了对HSC移植后行为的理解，还可能对临床实践产生影响，如优化移植方案和提高移植成功率。此外，这种分析方法为研究其他类型的干细胞移植提供了新的范式。