Cell | 单细胞测序描绘骨髓间质完整的细胞类群
原创： 章台柳 BioArt 今天
撰文 | 章台柳
责编 | 兮
间质存在于每个器官，对器官的发育、稳态维持及修复都非常重要，但对其定义一直都不清晰。间质细胞包含多种细胞类型，各自执行不同的功能，通过细胞间相互作用和分泌因子共同维持和调控干细胞功能。以骨髓间质为例，其重要组分之一是多能间充质干细胞（multipotent mesenchymal stem/stromal cells，MSCs），具有分化成骨、脂肪和软骨细胞的潜能，对HSCs具有调节作用。大多数组织都存在MSCs，但其多样性、谱系分化关系目前并未完全理解。在特定的骨龛（bone niches），几种亚型的MSCs被报道，大多定位在血管周隙，产生重要的HSC调控因子如Cxcl12和SCF（或名Kitl）【1】。
目前对骨髓MSCs的研究多利用Lepr-cre、Nes-GFP、NG2-CreER小鼠，但Lepr-cre、Nes-GFP是非诱导系小鼠，Cre或GFP的表达贯穿整个发育时期，并不能区分内源基因表达和标记基因的差异。而其他的非造血细胞，如OLCs（MSC-descendent osteolineage cells）对清髓后的骨髓移植治疗中HSC的定植非常重要，调控造血前体细胞功能和谱系成熟过程。一旦OLCs功能失调会导致白血病等癌症的发生。基于大量细胞群体的基因表达分析实际上忽略了细胞群的复杂性，混合了细胞亚群间的基因差异。为进一步研究骨髓间质的功能，系统性分析骨髓间质细胞各细胞群基因特征十分必要。
2019年5月23日，来自哈佛大学的David T. Scadden和Broad研究所的Aviv Regev团队在Cell上发表了题为 A Cellular Taxonomy of the Bone Marrow Stroma in Homeostasis and Leukemia 的文章，作者利用单细胞测序技术对骨髓间质进行细胞分类，稳态条件下定义了6大类、17个间质细胞亚群，分析了谱系分化关系。同时，急性髓系白血病损伤间充质成骨分化过程，下调造血过程所需的调控分子，揭示了癌细胞调控特定间质细胞，损伤正常组织功能，以促进成癌过程。
研究人员首先对稳态条件的骨髓间质进行单细胞测序，无偏差聚类分析将细胞分为17个集簇（cluster），根据标志性基因可归为：1. MSCs（cluster 1）；2. OLC（cluster 7、8）；3. chondrocyte（2、10、13、17）；4. fibroblast（3、5、9、15、16）；5. BMEC（0、6、11）；6. pericytes（12）；7. chondrocytes、osteoblasts、fibroblast过渡状态（4、8）。然后进一步分析了前6类细胞的基因表达特征，cluster间的分化关系以及cluster内部进一步分化的潜能。比如，cluster 1细胞高表达Lepr、adiponectin、Cxcl12、Kitl、Angpt1等特征性基因，具有MSCs特征性表达谱。亚聚类和扩散轨迹（diffusion trajectory analysis）分析显示MSCs中一个亚类Lepr-MSC-4，高表达OLC关键功能基因，显示出向成骨细胞系分化的趋势。而cluster 7的OLC细胞群可进一步细分为从Lepr-MSC-4过渡而来的早期骨祖细胞（early osteoprogenitor）、前成骨细胞（preosteoblast）、成熟成骨细胞（mature osteoblast）及软骨细胞（chondrocyte），展现出谱系分化过程；cluster 8的OLC则不来源于Lepr-MSC-4，主要分成骨组细胞、成骨细胞及软骨细胞。两者的分化来源不同，而且造血调控关键细胞因子Cxcl12的表达水平差异很大，具有不同的造血支持潜能。
几种骨髓间质细胞群都能调控造血过程，一旦功能紊乱，将导致髓系发育不良或白血病【2】。而骨髓恶性肿瘤可以重塑niche环境，帮助肿瘤生长【3】。研究人员利用单细胞测序检测了急性髓系白血病对间质细胞的影响。白血病的生长导致间质细胞各亚群比例显著变化，cluster 7 OLC的增加，cluster 8 OLC的减少，osteolineage Lepr-MSC-3/4的减少等，表明白血病将阻断osteolineage发育。这与AML病人中观察到的细胞群体变化相一致。白血病下调Lepr-MSCs和OLCs中调控脂肪和成骨分化通路的分子，破坏分化过程。同时干扰HSC关键调控因子Cxcl12、Kitl等在细胞中的表达，干扰HSC干细胞和前体细胞平衡，破坏正常血细胞的生成，促进肿瘤发展。
总的来说，该研究从单细胞角度系统地对骨髓间质细胞进行了详细的分类学研究，揭示了急性髓系白血病对间质细胞群体的影响，为骨髓微环境的研究及肿瘤和间质细胞的相互调控提供了重要的证据。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.04.040
制版人：珂
参考文献
1 Morrison, S. J. & Scadden, D. T. The bone marrow niche for haematopoietic stem cells. Nature 505, 327-334, doi:10.1038/nature12984 (2014).
2 Arranz, L. et al. Neuropathy of haematopoietic stem cell niche is essential for myeloproliferative neoplasms. Nature 512, 78-81, doi:10.1038/nature13383 (2014).
3 Hanoun, M. et al. Acute myelogenous leukemia-induced sympathetic neuropathy promotes malignancy in an altered hematopoietic stem cell niche. Cell Stem Cell 15, 365-375, doi:10.1016/j.stem.2014.06.020 (2014).
