文献分享——NCB-干细胞移植早期的"黑匣子"内容目录前言科学问题背景知识干细胞相关CellTrace VioletPVA-培养成熟血细胞分裂情况PART1-小鼠单细胞转录组图谱HSC细胞群MPP及其他成熟细胞群小结PART2-移植HSC的分化小结PART3-移植HSC动态分化成HSC和MPPHSCMPP小思考PART4-功能验证小结PART5-移植的HSC分化出红、髓系前体细胞讨论疑问后记 前言5.4青年节那天,课题组3年半的工作在NCB上发表,并且在公众号上得到报道: 特别推荐NCB | 程涛/朱平等合作打开干细胞移植早期的“黑匣子” 在我整理的过程中,又有推文详细介绍了这篇文章: Nature CellBio. | 单细胞基因组测序追踪造血干细胞分化 关于移植后干细胞的动力学问题,课题组最早报道了预处理的损伤受体环境对于供体移植HSC有负性作用的“旁观者”效应。但是局限于当时技术的发展,未能进一步探索。正所谓生物界内绝大多数的突破都得益于技术的突破,这里也是一样的。因为单细胞这种新技术的出现,让我们可以在更高的分辨率下去观察移植后HSC的变化。 现在随着单细胞技术的出现,对于HSC在骨髓归巢后如何增殖、分化并重建整个造血的动态过程也逐渐有了新的见解。 虽然目前不做这方面,但是干细胞知识还是要多学习,多了解课题组的研究方向才是,所以,趁着在家,把这篇文章的笔记给做一做吧! 为防止内容过多,大家不愿往下看,所以:
不想仔细看的就可以结束观看了哟~ 科学问题我们都知道移植病人进行移植前需要进行放化疗预处理,这种预处理可能会引起“旁观者”效应。简单来说所谓的“旁观者”效应就是指:放化疗后引起骨髓微环境出现细胞因子、炎症、活性氧ROS等一系列有害的因素,这种有害的环境会对即将进行移植的HSC产生有害的影响,也就是所谓的“旁观者”效应了。 既然存在“旁观者”效应,那么在“旁观者”效应下,移植进去的HSC会发生什么变化呢?这就是这篇文章的出发点了。 Wang et al.在2011年的一篇nature review中推断,经历清髓处理后,当移植了HSC时,为了满足机体对于血细胞的需求,HSC会大量扩增,然后才向下分化。但是因为在刚刚移植后的病人体内早期难以获得足够量的骨髓细胞,所以一直没人能够对这个说法进行验证。因为前面提到的单细胞技术的出现,才给了我们这样的机会去探索。 这里想起一个经典问题——你的研究有没有必要用单细胞?这个研究中,我觉得单细胞是必须的了! 背景知识干细胞相关
还是非常的细致的! CellTrace VioletCellTrace Violet是一种亲脂性膜染料,在细胞分裂时在子细胞之间大致均分,从而使标记的荧光强度减半。 PVA-培养这个是2019年一篇发表在nature上的工作,介绍了一种体外扩增干细胞的无血清蛋白培养体系。具体文章地址: https://www./articles/s41586-019-1244-x 一些背景知识:
简单读了后,简单归纳下:
看完后发现,原来已经有推文给整理好了! 《自然》:重大突破!普通胶水破解困扰医学界50年的历史性难题,科学家借助胶水首次实现造血干细胞体外千倍扩增丨科学大发现 成熟血细胞分裂情况
当然了,这里淋巴细胞说不能分裂不是绝对的,因为就像肝脏细胞,平常也是不怎么分裂的,但是在外界应急条件下,还是会进行剧烈的扩增分裂的。 PART1-小鼠单细胞转录组图谱
HSC细胞群
注意:上图ef两个图都是百分比关系,所以在e中我们认为≥85%的tHSC3都是FractionⅢ,但是在f图里我们发现FractionⅢ最多的是tHSC1。 MPP及其他成熟细胞群
感觉不算很好看,但是也还好吧,可能是有的群之间比较像~
结果还是一样的,但是我这种颜色一多,我就会看花的人,觉得看着有些费力,正好这个文章附件里有原始数据,于是,我就非常笨拙的画了个简单的热图来看,因为图2b和c其实用到的数据是同一个,所以用下面的热图来定性展示图b和c的内容:
所以,一共有28组免疫表型的血细胞,分成了21组转录组血细胞。 评价:非常的细致
看到这里感觉和我已有知识发生了冲突,因为我既往认为是一些成熟的血细胞是不怎么分裂的,能分裂的都是来自干祖细胞的。根据上面这个图来看我的知识需要更新了:
当然了,这里淋巴细胞说不能分裂不是绝对的,因为就像肝脏细胞,平常也是不怎么分裂的,但是在外界应急条件下,还是会进行剧烈的扩增分裂的。
说明这里tHSC1的话干性最强,和前面的周期分析相符。
别的tHSCs都在干细胞的位置,iHSC3跑去了更下游的地方。而且从上面的分析我们可以得知,其实iHSC3细胞组成上来说很多是FractionⅢ(关于这个其实我没有读过相关文献,不是很清楚),既然研究证实FractionⅢ主要是有长期淋系重建能力的一群细胞。 所以说,也许iHSC3在功能上更像是ST-HSC或者MPP。 小结整个fig1-2的话,其实就是给我们展示了正常小鼠骨髓和脾脏血细胞的一个完整的图谱。一共有28组免疫表型的血细胞,分成了21组转录组血细胞。后面的一系列实验都是基于这个定义来做的。 PART2-移植HSC的分化有了上面的工作,那么就开始探索移植后的工作。
这里其实我觉得,可以用FractionⅠ??因为从上面的数据中来看,FractionⅠ的话其实更多偏向于干细胞。当然了,在现实工作中,可能是先做了实验,然后做的数据分析,所以也没办法吧。
这就说明了,第一天开始,转录状态就发生了改变。不过这个也不能说明问题,毕竟移植前进行了放射处理,微环境已经发生了改变,旁观者效应也出现了。
D0就是ESLAMSK细胞,可以看到在D1的时候从TF上来看就有变化了:
这都说明了在移植后早期,HSPCs的自我更新降低,而开始分化趋势。
看上去移植后的细胞和正常稳态下的细胞还是一样的,没什么改变。 下面放一个降维后的分布图: 这里可能需要提醒的一点是:
这些推断可以从下面的图中得到验证吧。
第1天基本上不分裂,但是从第3天开始,细胞已经开始分裂了。 小结整个fig3的话,其实是给我们模拟了临床移植后的血细胞动态变化情况,并且根据结果发现这个现象和我们想象的不太一致:移植后1天HSC不仅不增殖,反而就发生了分化!主要分化为了MPP细胞,从第三天才开始分裂。于是,当然去探索下到底为什么呀! PART3-移植HSC动态分化成HSC和MPPHSC
这里需要注意点,我之前做分析的时候这了曾经出过错,因为我之前认为,既然他们按照转录组水平上聚类可以聚到一起,那么他们之间应该是没有区别的,但是后来在一个博后师姐的指导下发现,其实这里也会有差异,具体生信方面的处理可以去seurat官网看Stimulated vs Control PBMCs: https:///seurat/v3.1/immune_alignment.html 回到文献: 图a:
于是认为这里的:
MPP
上面的结果简单归纳后如下表:
看到这里不同的Tx tMPPs之前分化情况有所差异,那么就想看看TF的变化,于是就找到红系(Phb2和Nfia)、MK(Pf4和Vwf)、髓系(Spi1和Cebpd)、淋系(Flt3和Satb1)的几个特异TF,看他们的表达情况:
移植后的Tx tMPPs会:
结合上面的数据,认为红髓系分化维持平衡,而淋系分化受到抑制。 小思考看到这里我想到一个问题,为什么Tx tMPPs数目会减少呢?我觉得原因有下面3个:
PART4-功能验证使用单细胞克隆形成实验和二次移植实验来验证移植后HSPCs数目和分化能力的改变。
因为还是没有做过实验,所以这类图看起来真的是有点费力了,想要看懂这个图,首先我们要知道这个实验——二次移植实验是怎么做的: 首先从接受移植的小鼠骨髓/脾脏中拿到一定数目的GFP+细胞(一次移植的产物),因为得到的细胞数比较少,所以和3*105全骨髓细胞一起混合后,移植到另外一只受体小鼠中(二次移植),再在特定时间点1、3、4个月的时候行检测GFP+细胞。一般检测移植重建都是看外周血T,B,M 情况。真正的LT -HSC 是可以实现外周血重建比例逐渐升高,同时T、B、M各系都有。理解了做法,下面来看一下结果: 骨髓来源:第1天的GFP+细胞重建效率还好,但是第3、5、7天的GFP+细胞重建效率则大大降低 脾脏来源:同骨髓来源的数据一致。不过在D3的移植后3个月有个高峰,说明细胞后来发力了??数据比较少,不太好下结论。 上述数据说明了移植后≥3天受者体内HSC减低。而在移植后1天受者体内功能上还是很像LT-HSC的,因为D1细胞可以实现外周血重建比例逐渐升高,同时T、B、M各系都有。 这里需要注意的是,我们注射的是GFP+细胞,根据前面的数据提示,注射的GFP+细胞中绝大部分是tMPPs了(fig 3所示)。
蓝色字表示拿去做scRNA-seq的细胞数。可以清晰看到,在移植后哪怕第1天,很多tHSCs都发生了分化,而且从转录组水平来看,增加的主要是tMPPs。说明了什么呢:
至于PVA培养体系的话,从D1、D3的数据来看好像是并没有发生分化,但是Fresh的数据看出还是发生了分化的!
小结上述体外细胞培养实验和体内移植实验都说明,移植到受者后,早期HSC细胞数量和功能还可以维持,后期会迅速降低。 PART5-移植的HSC分化出红、髓系前体细胞
其中如果细看具体的成熟分化细胞: 当然,上面的都是转录组水平,那么用marker从免疫表型上来看呢: 这里文章只show了第1和7天的数据,不知道为什么没有展示下第3、5天的数据🤷♂️
移植后第1天,与受者体内的Ter119+细胞相比:
移植后第1天,与受者体内的Mac-1+Gr-1+细胞相比:
通过比较tMEs在D1和D7之间的差异:免疫相关基因在D1高表达(图中最底部),D7时主要高表达的是一些蛋白模定位相关的基因(不是很了解这方面,和信号肽可能相关)。
以上数据共同说明了: 移植后,早期HSC/MPP会向分化红系和髓系分化,甚至出现成熟细胞的表面marker,但这些看似分化的细胞仍然保留着一些不成熟的特征。 讨论这里通过一幅示意图总结下整个文章的结论:
疑问下面是我最开始读的时候产生的一些问题,很多都直接在正文中回答了,但是还是放在这里吧,说不定日后会有更多的想法??
后记其实整个工作还是挺漂亮的,也有很多看问题不错的角度和思路,看完后还是学到了很多东西的。一定程度上也让我了解到了移植后HSC的变化趋势,非常的神奇,和我们想象中的并不一样!而且,在文章最后提到的现象——具有分化细胞的表型,但是在转录组水平上却仍保留有干细胞相关基因的表达,也是非常有趣了。 |
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