研究背景
在胚胎发育过程中，造血干细胞(HSCs)需要快速分化为成熟的血细胞。我们目前对胎儿造血干细胞和祖细胞(HSPC)的了解主要是通过小鼠和体外模型系统来推进的。关于人类发育过程中的造血调控仍不明确。
方法流程
研究结果
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人胎肝和骨髓造血室的单细胞转录组景观
对15个胎儿的肝脏、股骨和髋部分选HSPCs（造血干细胞和祖细胞）和成熟的血细胞进行单细胞转录组测序，UMAP图显示在造血祖细胞区室中细胞类型分为23个类群，分别为HSCs（造血干细胞）/MPPs（多能祖细胞），循环HSCs/MPPs（HSCs/ MPPs-Cycle），淋巴样髓系祖细胞（LMPs），MK-类胡萝卜素祖细胞（MEMPs），循环MEMPs（MEMPs-Cycle ），粒细胞祖细胞（GPs）以及许多成熟的血细胞类型。
图1 人胎儿血细胞生成的单细胞转录组分析
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胎儿造血过程中分化轨迹的分析
分析人类胎儿发育过程中造血细胞的分化轨迹，HSC/MPP向MEMP过渡的差异基因包括MK/类红细胞/肥大细胞谱系特异性基因(GATA1IT、GA2B和KLF1等)，表明类红细胞、巨核细胞和肥大细胞谱系之间具有共同祖先。MEMPs-Cycle的增殖群中约92％处于G2M/S期；与MEMPs相比，MEMPs-Cycle群上调了类红细胞特异性基因，如KLF1和BLVRB，表明它们逐渐分化为类红细胞谱系。另外发现HLF和HOXA9为HSC/MPP中的主要调控因子，在造血的MEMP分支中鉴定了GATA1、GATA2和TAL1。FOXO3对类红细胞高度特异性，而EOMES、OLIG2和IRF8分别对NK细胞、单核细胞和pDC具有高度特异性。综上，得出HSC/MPP下游存在3个寡能祖细胞群：MEMP产生红系细胞、MK和肥大细胞；GP分化为粒细胞；LMP产生淋巴样细胞、单核细胞和树突状细胞。
图2 人胎儿造血细胞的分化轨迹
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胎儿非定向祖细胞(CD34 CD38-)的单细胞ATAC-seq
scATAC-seq研究人胎儿Lin- CD34 CD38-细胞的染色质可及性， 分析得到7个不同的clusters，发现与干细胞相关的标记基因(如MLLT3)的可及性较高，与分选细胞的未分化特性保持一致；cluster1、2和4可及性最高,其结果与cluster1、2和4代表HSC/MPP群的概念一致。另外观察谱系特异性造血TF基序的可及性的动态变化，如GATA1被认为是红系、巨核细胞和肥大细胞分化的重要调节因子，cluster1和6及cluster1、4、5和6之间的轨迹最有可能代表Memp分化路径;cluster 6中检测2个不同的TAL1结合位点(TAL1.0.A和TAL1.1.A)的基序可及性模式相反，表明在胎儿造血过程中2个不同的TAL1结合基序在不同的造血祖细胞群体中都是活跃的。scATAC-seq得到的分化轨迹结果与在scRNA-seq数据中观察到的一致。
图3 人胎儿造血的单细胞染色质可接近性分析
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整合scRNA-Seq和scATAC-Seq数据
数据整合显示染色质可及性和转录组模式是相关的。GATA1基序在Memps和Memps-Cycle中显示最高的可及性，TEF2(髓系和淋巴系分化中起作用)在GPs和LMPs中最活跃；证实了之前的观察，2个不同的TAL1基序具有相反的可及性（TAL1.0.A在Memps和Memps-Cycle中优先激活，TAL1.1.A在GPs和LMP中优先激活）。HSC/MPP群中存在广泛的染色质启动，导致了它们的异质性。比较选定的谱系特定的TF基序在7个cluters的HSC/MPP中的可及性（HTF4、ID4、TFE2和TGATA1），表明在转录同源的HSCs/MPPs群体中，可能先于基因表达和标记HSCs初始启动的特定TF的活性存在显著差异。
图4 整合scRNA-Seq和scATAC-Seq数据
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不同造血器官HSCs/MPPs的比较分析
肝脏、股骨和髋部在不同细胞类型之间的差异统计分析，表明当HSCs/MPP从胎肝迁移到骨髓时，HSCs/MPP从高增殖状态转变为静止状态，并下调了与肌动蛋白细胞骨架重塑相关的基因的表达，这表明了生态位在HSC/MPP行为调节中的作用。
研究结论
本文通过scRNA-seq和scATAC-seq鉴定了造血干细胞(HSCs)/多能祖细胞(MPPs)下游的3个高增殖寡潜祖细胞群。沿着这个轨迹观察到染色质可及性和分化的相反模式，与不同谱系特异性转录因子活性的动态变化相吻合。scRNA-seq和scATAC-seq整合分析显示，在HSCs/MPPs的谱系分化之前它们存在广泛的表观遗传而不是转录启动。最后，对HSCs/MPP的分选策略进行了改进和功能验证，并实现了90%左右的富集度。此研究为今后在血液病理学和再生医学研究人类发育造血提供了一个有用的框架。
参考文献
Anna Maria Ranzoni,Andrea Tangherloni, Ivan Berest，et al.Integrative Single-Cell RNA-Seq and ATAC-Seq Analysis of Human Developmental Hematopoiesis.202012.Cell Stem Cell
