Science：造血干细胞质量控制者：巨噬细胞 表面钙网蛋白

顾汉现

Science | 造血干细胞质量控制者：巨噬细胞 表面钙网蛋白

巨噬细胞对造血干细胞的质量保证决定了干细胞的克隆性。

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2022/09/24

论文
论文标题：Quality assurance of hematopoietic stem cells by macrophages determines stem cell clonality
作者：Samuel J. Wattrus, Mackenzie L. Smith , Cecilia Pessoa Rodrigues, Elliott J. Hagedorn, Ji Wook Kim , et al.
期刊：Science
发表时间：2022/09/22
数字识别码：10.1126/science.abo4837
摘要：Tissue-specific stem cells persist for a lifetime and can differentiate to maintain homeostasis or transform to initiate cancer. Despite their importance, there are no described quality assurance mechanisms for newly formed stem cells. We observed intimate and specific interactions between macrophages and nascent blood stem cells in zebrafish embryos. Macrophage interactions frequently led to either removal of cytoplasmic material and stem cell division or complete engulfment and stem cell death. Stressed stem cells were marked by surface Calreticulin, which stimulated macrophage interactions. Using cellular barcoding, we found that Calreticulin knock-down or embryonic macrophage depletion reduced the number of stem cell clones that established adult hematopoiesis. Our work supports a model in which embryonic macrophages determine hematopoietic clonality by monitoring stem cell quality.

所属学科：
细胞生物学
撰文丨十一月

在胚胎形成过程中干细胞的数量确保体内细胞谱系的平衡，这对于机体的正常发育非常关键。这些干细胞既然对于正常组织功能这么重要，那么一定需要一些质量保证机制确保干细胞的质量。但目前位置，造血干细胞和祖细胞的质量控制体系还尚不可知。为此，美国哈佛大学Leonard I. Zon研究组在Science发文题为Quality assurance of hematopoietic stem cells by macrophages determines stem cell clonality，发现造血干细胞通过与巨噬细胞相互作用，确保造血干细胞质量从而调节成年时期造血干细胞克隆的数量。



为了研究干细胞质量控制的具体机制，作者们将目光集中在了斑马鱼胚胎的血液发育。斑马鱼造血干细胞和祖细胞（Hematopoietic stem and progenitor cells，HSPCs）从背主动脉腹壁出现进入血液循环，并停留在尾侧造血组织的血管丛（Caudal hematopoietic tissue，CHT）。造血干细胞和祖细胞在CHT中迅速扩张，然后迁移到肾骨髓中。在成体造血细胞龛中，造血干细胞和祖细胞与多种类型的细胞存在相互作用，其中包括血管内皮细胞、间充质细胞以及巨噬细胞。背主动脉腹壁产生的20-30个造血干细胞克隆最终形成成体血液系统【3】。但是来自背主动脉腹壁的新生造血干细胞在建立起成体造血系统之前是否经过质量保证还不得而知。

通过活体高分辨率成像，作者们发现其中有30%造血干细胞和祖细胞会与巨噬细胞存在相互作用（图1）。作者们发现巨噬细胞与红细胞、内皮细胞这种相互接触的比例相当低，分别是0.6-3.9%以及0.5-6.7%。另外，作者们发现巨噬细胞与造血干细胞和祖细胞的接触时间长达45分钟。因此，这种相互作用是巨噬细胞与造血干细胞和祖细胞特有的。


图1 绿色标记的造血干细胞和祖细胞与品红标记的巨噬细胞之间相互作用

通过接触形态的不同，作者们将造血干细胞和祖细胞的相互作用分为三种类型：其一，细胞之间长时间接触；其二，接触过程中造血干细胞和祖细胞保持完整，但是有一小部分细胞物质被巨噬细胞吸收；其三，造血干细胞和祖细胞被巨噬细胞完全吞噬并破坏。通过FUCCI标记不同细胞周期，作者们发现处于分裂期超过65%的造血干细胞和祖细胞会于巨噬细胞存在接触。这些结果说明，造血干细胞和祖细胞大规模扩增之前，与巨噬细胞的接触可能在帮助其进行质量控制。

为了更好地理解巨噬细胞与造血干细胞和祖细胞相互作用的具体机制，作者们对细胞龛巨噬细胞进行了转录组分析。通过单细胞RNA-seq，作者们发现这些与造血干细胞和祖细胞相互接触的巨噬细胞中吞噬、溶酶体降解以及胆固醇转运等相关的基因高度富集。进一步地，作者们通过少量细胞蛋白质分析的方法对接触的巨噬细胞蛋白质进行了分析。作者们在造血干细胞和祖细胞与巨噬细胞接触过程中发现有203个多肽高度富集，其中包括三个钙网蛋白（图2）。先前的研究曾经表明，钙网蛋白会向巨噬细胞发出“吃我”的信号【4】。通过抗体免疫染色，作者们发现钙网蛋白会在造血干细胞和祖细胞表面形成点状信号，并且会促进与巨噬细胞的相互作用（图2）。




那么钙网蛋白是如何参与造血干细胞和祖细胞以及巨噬细胞之间的相互作用的呢？为此，作者们使用morpholino敲低钙网蛋白，发现敲低的钙网蛋白会显著降低造血干细胞和祖细胞与巨噬细胞相互作用的比例。进一步地，通过分析钙网蛋白在造血干细胞和祖细胞发育中的作用，作者们发现在CHT早期发育的增殖扩增过程中，钙网蛋白依赖的巨噬细胞与造血干细胞和祖细胞相互作用对于造血系统中干细胞的扩增和维持非常重要，并且此过程与ERK/MAPK信号通路相关。

总的来说，作者们的工作发现巨噬细胞与造血干细胞和祖细胞之间的相互作用是造血系统的重要质量控制过程，这一质量控制过程依赖于造血干细胞和祖细胞表面的钙网蛋白信号，对于成体时期血液中造血干细胞数量的维持和扩增非常关键。

制版人：十一

参考文献

1. K. Kissa, P. Herbomel, Nature 464, 112–115 (2010)

2. J. Y. Bertrand et al., Nature 464, 108–111 (2010)

3. J. Henninger et al., Nat. Cell Biol. 19, 17–27 (2017)

4. M. Feng et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, 2145–2150 (2015).


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