在一項新的研究中,英國研究人員在世界上首次構建出人類發育中肝臟的細胞圖譜,它提供了關于胎兒中血液和免疫系統如何產生的重要見解。這種圖譜描繪了在妊娠的頭三個月和第二個三個月之間的發育中肝臟的細胞景觀變化,包括來自肝臟的干細胞如何播種到其他組織,以支持生長所需的高氧氣需求。相關研究結果近期發表在Nature期刊上,論文標題為“Decoding human fetal liver haematopoiesis”。
圖片來自Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1652-y。
這種圖譜是一種綜合的高分辨率資源,可改進我們對正常發育的理解,并且有助于醫療機構治療可能在發育過程中形成的疾病,比如白血病和免疫疾病。
在此之前,人們還不清楚人類血液和免疫系統如何產生,這一過程被稱為造血作用。成年后,正是骨髓產生我們的血液和免疫細胞。但是在早期胚胎生活中,卵黃囊和肝臟在制造血液和免疫細胞中起著重要作用。這些細胞隨后播種到外周組織,比如皮膚、腎臟,最終播種到骨髓。
這些研究人員使用單細胞技術分析了14萬個肝細胞以及7.4萬個皮膚、腎臟和卵黃囊細胞。通過分離來自發育中肝臟的細胞,他們能夠通過它們正在表達的基因來鑒別它們,并觀察這些細胞是什么樣子。通過利用重金屬標記物對發育中肝臟切片內的造血細胞進行標記,他們能夠將每個細胞對應到它所在的位置。
論文共同通訊作者、英國紐卡斯爾大學資深研究員、威康基金會桑格研究所高級臨床研究員Muzlifah Haniffa教授說,“在此之前,這個領域的研究有點像蒙著眼睛研究大象的人,每個人僅描述它的很小一部分。這是人類第一次描述整體情況,如此詳細地描述血液和免疫系統如何產生。這是一項非凡的多學科研究工作,如今可以作為整個科學界的一種工具。”
發育中的胎兒需要大量的氧氣來促進生長。這項研究發現,在胎兒發育過程中,“母體”造血干細胞停留在肝臟中。但是,由于僅靠肝臟無法提供足夠的紅細胞,因此下一代的“子”細胞---造血祖細胞---會傳播到其他組織。它們在皮膚等地方成熟,在那里產生紅細胞,從而有助于滿足對氧氣的高需求。
論文共同通訊作者、威康基金會桑格研究所資深研究員說,“我們知道當成年人變老時,我們的免疫系統發生變化。這項研究展示了肝臟制造血液和免疫細胞的能力如何在很短的時間內發生變化,即便在受孕后的7至17周之間,也是如此。如果我們能夠理解是什么讓肝臟中的干細胞如何擅長制造紅細胞,這將對再生醫學產生重要的影響。”
這些研究人員還描繪了已知與免疫缺陷有關的基因圖譜,以便觀察哪些細胞表達它們。基因突變可導致白血病等免疫系統疾病,而且人們有望通過了解健康的發育中肝臟如何發揮功能,就有可能理解免疫系統疾病如何產生,以及如何治療它們。
論文共同通訊作者、威康基金會桑格研究所資深研究員、人類細胞圖譜組織委員會聯合主席Sarah Teichmann博士說,“首個針對人類發育中肝臟的綜合細胞圖譜是人類細胞圖譜計劃的又一個里程碑。如今這些數據可供任何人免費使用,將成為更好地了解健康細胞發育和致病基因突變的重要資源。”
威康基金會遺傳學與分子科學業務經理Katrina Gold博士說,“我們的免疫系統在協助保護我們免受疾病侵害方面至關重要,但是我們對免疫細胞在早期胚胎中的產生和功能知之甚少。這項研究非常重要,它為未來的研究奠定了重要的基礎,這可能有助于我們更好地理解與早期免疫系統有關的疾病,比如兒童白血病。人類細胞圖譜有可能改變我們對健康和疾病的理解,我們很高興來看到我們的受到威康基金會資助的多學科科學家團隊首次取得的這些重要發現。”