造血干细胞（hematopoietic stem cell，HSC）能够在体内产生所有类型的血液细胞，并且通过自我更新和多系分化维持个体整个生命周期的血液系统功能。虽然HSC的发生过程在斑马鱼和小鼠等动物模型已经被充分揭示，但受限于研究技术的缺乏和研究材料的稀缺，目前对人类早期胚胎造血发育的认识仍十分有限。研究人员通过异种移植的功能分析，确认了人类的HSC于胚胎卡内基阶段（Carnegie stage，CS）14（妊娠后32天）最早出现在主动脉-性腺-中肾（aorta–gonad–mesonephros，AGM）区域。与胎肝和脐带血中HSC类似，AGM区的HSC也具有CD45+CD34+表型。

 

图1. 人类胚胎造血发育事件概览【2】

 

功能学和组织学实验证实，人类胚胎的第一个HSC产生于背主动脉腹侧壁。鉴于人类HSC与血管内皮细胞存在着紧密的时空联系，并且共享一些表面标志，因此推测人类HSC与小鼠类似，均起源于生血内皮细胞（hemogenic endothelial cell，HEC）。目前研究认为，HEC表达内皮基因和生血特异的转录因子RUNX1，但不表达典型造血表面标志如CD43和CD45。HEC的特化是血管内皮细胞选择HSC命运的关键步骤，然而，由于HEC数量稀少、发育过程转瞬即逝，对于内皮造血转化的认识，尤其是对HEC的精准识别，成为造血发育研究领域的重点和难点。

 

鉴于临床的巨大需求和血液细胞来源有限性之间的矛盾，血液系统尤其是HSC的再生研究显得尤为重要。研究者一直致力于利用多能干细胞高效诱导功能性HSC，但罕见成功的报道，表明对于HSC胚胎发生的时序特征及调控机制的认识仍有待深入，HSC的再生研究依然任重道远。

 

2019年9月9日，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Cell Research杂志在线发表了题为Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing的研究论文。该研究在国际上首次从单细胞尺度阐述人胚第一个HSC发生全程的细胞层级、分子特征、细胞间相互作用，尤其依靠单细胞转录组数据筛选获得高特异性的HEC标志，精确解析了HEC靶向HSC命运转化的多个阶段，为未来HSC再生提供重要的理论支持和策略指导。

 

 

 

作者首先利用高通量的10x Genomics单细胞转录组测序解析了人类胚胎HSC产生窗口时期背主动脉的细胞群体，通过无偏颇特征分析，根据内皮特征基因（CDH5，SOX7等）和造血转录因子RUNX1的表达鉴定出HEC群体，并初步筛选得到能够识别HEC的表面标志分子CD44。作者进一步分选CD44⁺和CD44^-内皮细胞进行基于STRT（Single-cell Tagged Reverse Transcription sequencing）的高深度单细胞转录组测序，证实CD44可将HEC群体富集效率提高10倍以上。作者发现这群存在于HSC产生时间窗的人胚AGM区HEC呈现出明确的动脉特征，并且相比于动脉内皮细胞，高表达MYB，ANGPT1和IL1RL1，低表达传统的动脉基因CXCR4。

 

现有研究报道，人胚AGM区HSC存在于CD45⁺CD34⁺的细胞群体中。作者将AGM区CD45⁺CD34⁺细胞群体进行单细胞转录组测序，捕获到三类各具特征的造血干祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cell，HSPC）。联合动脉内皮细胞和HEC的分析，作者在转录组水平绘制出AGM区HSPC的发育路径，识别了此过程中不同的基因表达模式，并且揭示了一类独特的特异在HEC阶段表达上调的基因，如EMCN、PROCR 和 RUNX1T1等。值得一提的是，该团队曾在2016年利用Procr高效识别小鼠胚胎期pre-HSC（详见BioArt报道：【五星推荐】周帆：《Nature》文章第一作者的科研心路历程）。

 

图2. 人胚AGM区HSPC的发育路径

 

进一步，作者还发现在更为早期的CS 10（妊娠后23天）胚体内，存在着另一类缺乏动脉特征的HEC群体。在斑马鱼和小鼠模型上已经证实存在不同批次的造血活动，包括不能产生HSC的瞬时定向造血【10,11】和产生HSC的永久定向造血，作者推测这类缺乏动脉特征的HEC和HSC产生前的造血活动相关。

 

图3. 人类胚胎两类不同HEC及其特征基因

 

最后，为了阐释AGM区微环境成分对HEC产生的潜在作用，作者首先解析了背主动脉微环境的细胞组成，进一步利用受配体基因互作分析揭示了包括三类间质细胞、上皮细胞、动静脉内皮细胞等微环境群体与HEC之间潜在的细胞间相互作用。