医学院那洁课题组通过多组学分析揭示JUNB在体外分化人造血祖细胞过程中的功能-清华大学医学院

研究成果

医学院那洁课题组通过多组学分析揭示JUNB在体外分化人造血祖细胞过程中的功能

2022-06-07

医学院那洁课题组长期从事hPSC向心血管和造血谱系体外分化的研究。2022年6月6日,该课题组在《自然?通讯》(Nature Communications)杂志上发表了题为“染色质动态变化和转录组学分析揭示了JUNB在造血祖细胞生成过程中的必要作用?(Integrative epigenomic and transcriptomic analysis reveals the requirement of JUNB for hematopoietic fate induction )的文章。

造血干祖细胞(hematopoietic stem progenitor cell, HSPC)存在于成体骨髓内,具有长期自我更新能力,同时能够分化为所有类型的血细胞和免疫细胞,因此在疾病治疗上具有重要的价值。人类胚胎HSPC发生过程的单细胞转录组图谱研究显示了独特的动态变化规律(Zeng et al., 2019),但是受材料和技术的限制,人胚胎HSPC发育过程中的染色质开放状态、重要组蛋白修饰的表观遗传图谱及基因表达调控机制仍未被揭示。人多能干细胞(human pluripotent stem cell, hPSC)向造血祖细胞(hematopoietic progenitor cell, HPC)分化的体系为探究HSPC生成过程中的表观遗传调控提供了可进行实验操作的平台。

图1. HPC体外分化过程中的基因表达调控研究

研究人员利用hPSC向HPC分阶段分化体系,纯化了血管中胚层(vascular mesoderm cells, VME),内皮前体细胞(endothelial progenitor cell, EPC)和造血祖细胞(HPC),分别获得了各分化阶段的转录组、开放染色质、H3K4me3和H3K27me3组蛋白修饰的数据。通过对数据进行整合分析,研究人员根据开放染色质图谱推断了各阶段可能行使功能的转录因子,揭示了组蛋白二价修饰(bivalent)的动态变化以及标志性基因的表观遗传修饰模式。

HSPC来自一群特殊的内皮细胞-生血内皮细胞(hemogenic endothelial cell, HEC)。HEC的特性直接影响HSPC的生成效率和是否具有移植重建能力(Guibentif et al., 2017; Park et al., 2018)。研究者采用单细胞RNA-seq和ATAC-seq技术,鉴定了体外分化产生的HEC群体,并将其与体内发育的HEC进行了转录组差异比较。结果发现,体外生成的HEC虽具有较强的增殖能力,但其动脉内皮基因表达明显不足。而HEC的动脉内皮特征对HSPC的生成和功能具有关键作用(Zeng et al., 2019),因此,在体外分化体系中,增强HEC的动脉内皮特征可能有助于提高HPC的分化潜能。

之后,基于ATAC-seq转录因子富集分析和组蛋白修饰动态变化的结果,研究者发现在hPSC向HPC分化过程中,转录因子JUNB的基因表达动态变化以及在基因组上的结合特征与MYB、RUNX1等重要造血调控转录因子类似。研究者采用JUNB敲除的hPSC分化HPC,发现JUNB的缺失显著抑制了HEC和HPC的生成,JUNB回补实验进一步证明了JUNB在HPC分化过程中的重要作用。从机制上讲,JUNB的存在使得ERG、GATA2和 RUNX1 等造血谱系相关因子的染色质呈现开放状态,促进HEC的特化和向HPC的转变;另外,JUNB可以直接结合RUNX1、CD44等内皮-造血转变(endothelial-to-hematopoietic transition, EHT)调控因子的启动子区域,调控基因表达和EHT的发生。因而JUNB是hPSC分化HPC过程中的一个必要因子。

总之,这项研究揭示了人类HPC分化过程中的表观遗传调控机制,发现了HEC和HPC生成过程中新的调控因子JUNB。同时,体内外HEC单细胞转录组对比分析为在体外更高效地获取高质量的HPC提供了重要的线索。

那洁副教授为该论文通讯作者,清华大学医学院博士后陈霞、博士研究生王佩亮和邱辉为本文共同第一作者。广州妇女儿童医疗中心的段福宇博士、北医三院妇产科的郭健颖博士和中国医学科学院/北京协和医学院黄粤教授对本研究提供了重要帮助。那洁实验室的朱咏林博士、博士生张兴武、张雅瑄和丁双元也对本研究做出了重要贡献。本研究由国家干细胞及转化研究重点专项2019YFA0110001、2017YFA0102802,国家自然科学基金委项目31970819、91740115、31771108、32000610,清华大学春风基金2021Z99CFY033,清华-北京大学联合生命科学中心、蛋白质研究技术中心、结构生物学高精尖创新中心等提供经费和测试仪器支持。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30789-4

参考文献

1、Guibentif, C., Ronn, R.E., Boiers, C., Lang, S., Saxena, S., Soneji, S., Enver, T., Karlsson, G., and Woods, N.B. (2017). Single-Cell Analysis Identifies Distinct Stages of Human Endothelial-to-Hematopoietic Transition. Cell Reports 19, 10-19. 10.1016/j.celrep.2017.03.023.

2、Park, M.A., Kumar, A., Jung, H.S., Uenishi, G., Moskvin, O.V., Thomson, J.A., and Slukvin, I.I. (2018). Activation of the Arterial Program Drives Development of Definitive Hemogenic Endothelium with Lymphoid Potential. Cell Reports 23, 2467-2481. 10.1016/j.celrep.2018.04.092.

3、Zeng, Y., He, J., Bai, Z., Li, Z., Gong, Y., Liu, C., Ni, Y., Du, J., Ma, C., Bian, L., et al. (2019). Tracing the first hematopoietic stem cell generation in human embryo by single-cell RNA sequencing. Cell Res 29, 881-894. 10.1038/s41422-019-0228-6.

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