2019年10月8日,四川大学胡洪波研究组、解放军总医院第五医学中心刘兵研究组与暨南大学基础医学院兰雨研究组合作在Immunity杂志在线发表了题为 Single-cell RNA Sequencing Resolves Spatiotemporal Development of Pre-thymic Lymphoid Progenitors and Thymus Organogenesis in Human Embryos 的研究成果。该研究在国际上首次通过单细胞转录组测序构建了人类胚胎早期T淋巴细胞发育以及胸腺器官发生的分子图谱。


四川大学首次构建人类T淋巴细胞起源及胸腺器官发生的分子图谱


作者首先针对人类胚胎胸腺器官发生阶段(8-10周)的细胞,利用高通量单细胞转录组测序,鉴定出造血、上皮、间质、内皮共四类主要细胞群体。进一步将造血细胞分为10个亚群(图1),分别为:三个ETP亚群,包含embryonic ETP、fetal ETP1和fetal ETP2;三个T细胞前体亚群,包括 ?T precursor、 T precursor 1和 T precursor 2;以及固有淋巴细胞、巨噬细胞、树突细胞和肥大细胞亚群。通过比较embryonic ETP(主要来源于8周)和fetal ETP(主要来源于9、10周)的差异表达基因,推断在胸腺内血管形成(8周)前后,造血祖细胞可能通过不同的方式迁入胸腺。通过体外培养,证实CD7+ETP(Lin-CD45+CD34+CD1a-CD7+)除了具有T细胞潜能之外,仍具有髓系、B和NK的多系分化潜能,这与成体CD7+ETP仅具有T和NK的分化潜能不同。


四川大学首次构建人类T淋巴细胞起源及胸腺器官发生的分子图谱

图1. 人胚胸腺中的造血细胞群体及特征基因


为了追溯胸腺中ETP的起源,作者进一步将胸腺ETP与不同发育阶段生血位点(主动脉-性腺-中肾区)、造血位点(胎肝)和循环血中的淋系祖细胞(转录组表达IL7R的群体)进行联合分析(图2),发现ETP与相近发育阶段胎肝中淋系祖细胞最为相似。ETP可以根据与胎肝中淋系祖细胞的相似性重新分为两个亚群:更相似者具有更静息的细胞周期特征(TSP-like ETP),而另一个亚群处于更活跃的细胞周期状态(proliferating ETP)。对于胎肝而言,与TSP-like ETP在发育轨迹上重叠的那部分淋系祖细胞则被定义为TSP。胎肝中其他淋系祖细胞高表达B淋系相关基因,如CD79A, CD79B和VPREB3,提示B淋巴细胞分化潜能。既往研究表明,在早于胸腺器官发生的胚胎发育阶段,主动脉-性腺-中肾区就存在具有T淋巴细胞分化潜能的祖细胞。本研究中,作者进一步在转录组水平实现了对于早在5周左右的主动脉-性腺-中肾区淋系祖细胞的群体捕获和分子特征分析。


四川大学首次构建人类T淋巴细胞起源及胸腺器官发生的分子图谱

图2. 转录组水平识别胸腺最早的 ETP以及胎肝TSP


此外,作者还深入分析了人胚胸腺中和 T淋巴细胞早期特化过程中的不同基因调节模式;解析了胸腺上皮细胞(Thymic epithelial cell, TEC)早期分化事件,发现皮质TEC的成熟早于髓质 TEC。为了阐明胸腺中微环境细胞成分对造血细胞的潜在调控作用,作者利用受配体分析预测了上皮、间质、内皮细胞群体与不同造血细胞群体之间潜在的相互作用;利用多色免疫荧光证实间质细胞分泌产生IGF2,可能调控表达IGF1R的造血祖细胞定向T淋巴细胞发育。


综上所述,该工作精细解析了人胚胸腺器官发生阶段ETP的分子特征异质性,鉴定出最早定植胸腺的ETP及其在胎肝中的前体细胞TSP;在胸腺器官发生之前的主动脉-性腺-中肾区,实现了对淋系祖细胞在转录组水平的捕获和分析;解析了人胚胸腺中T淋巴细胞以及TEC早期分化事件;预测了T淋巴细胞发育过程中重要的异源细胞间相互作用。这些发现为人类早期T淋巴细胞发生的调节机制研究以及T淋巴细胞体外再生策略研究提供了重要的理论支撑和数据库资源(图3)。


四川大学首次构建人类T淋巴细胞起源及胸腺器官发生的分子图谱

图3. 示意图展示单细胞解析人类胚胎早期T淋巴细胞发生


据悉,胡洪波研究员、刘兵研究员和兰雨研究员为该论文的通讯作者。曾扬博士、博士研究生刘晨、公彦栋、柏志杰、侯思元为该论文的共同第一作者。解放军总医院第五医学中心妇科卞丽红主任和马春雨医生为该工作提供了大力支持。


研究背景


T淋巴细胞是宿主适应性免疫系统中最重要的免疫细胞之一,在抵抗病原入侵、维持机体稳态以及抗肿瘤等方面起到不可或缺的作用。胸腺是T淋巴细胞发育的必需场所。胎肝或骨髓来源的胸腺定植祖细胞(thymus seeding progenitor, TSP)迁移定植到胸腺后,即为早期胸腺祖细胞(early thymic progenitor,ETP)。ETP在胸腺中经过增殖、特化、T细胞受体重排、阳性选择和阴性选择,形成成熟的胸腺细胞即初始T淋巴细胞输出至外周。在该过程中,包括上皮细胞及间质细胞在内的胸腺基质细胞对于胸腺细胞的分化成熟发挥了重要作用。由于技术手段制约以及样品稀缺,对于人类胚胎最早T淋巴细胞发生的认识相当匮乏。此外,精准、深入解析人类T淋巴细胞的起源及发育规律,对于指导T淋巴细胞体外再生必将提供重要的理论基础。


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