模式圖：5-羥色胺調(diào)控小鼠胚胎期造血干細胞發(fā)育
造血干/祖細胞（Hematopoietic stem and progenitor cells，HSPCs）是一群能自我更新并分化為各種成熟血細胞的多能干細胞。基于其重建血液系統(tǒng)的能力，造血干細胞移植已成功用于治療白血病等惡性血液疾病。如何體外誘導和擴增足夠數(shù)量且有功能的HSPCs，是臨床上惡性血液疾病治療的瓶頸，也是基礎科學研究的難點和熱點之一。其目前尚未成功的根本原因在于人們對HSPCs產(chǎn)生和擴增的調(diào)控機制認識仍不全面。因此，應用模式動物深入和系統(tǒng)地研究體內(nèi)HSPCs產(chǎn)生和擴增過程及其調(diào)控機制，將對體外誘導并擴增有功能的HSPCs具有十分重要的指導意義。
中國科學院動物研究所研究員劉峰領導的血液與心血管發(fā)育研究組早期的工作證實，參與5-羥色胺（5-HT）合成的轉(zhuǎn)錄因子Fev（哺乳動物的Pet1）是斑馬魚和人HSPCs發(fā)育所必需的關鍵因子（Blood, 2013）；近的合作研究發(fā)現(xiàn)FEV僅在出生前起源的白血病細胞表達，表明其可以作為白血病起源的診斷標記（Leukemia, 2016）。此外，有報道表明，5-HT處理體外培養(yǎng)的人臍帶血HSPCs能促進其克隆形成能力，但機制不明。為深入探究5-HT與哺乳動物HSPCs發(fā)育的關系，劉峰研究組通過體外集落形成和脾結節(jié)實驗發(fā)現(xiàn)，5-HT處理后的小鼠主動脈-性腺-中腎區(qū)（AGM）中HSPCs克隆形成能力顯著增強。色氨酸羥化酶2（Tph2）是5-HT合成的限速酶。在其突變體胚胎中（tph2+/-和pet1-cre;tph2+/fl），AGM區(qū)造血簇大小和數(shù)目顯著降低，HSPCs重建受體小鼠造血能力顯著下降。為確定調(diào)控HSPCs的5-HT的來源，該研究發(fā)現(xiàn)Pet1、Tph2和AAAD等（參與5-HT合成的重要轉(zhuǎn)錄因子和合成酶）在AGM區(qū)內(nèi)皮細胞和間充質(zhì)細胞中均有表達。進一步研究表明，內(nèi)皮細胞特異性缺失tph2（vec-cre;tph2+/fl）的小鼠胚胎中，5-HT在AGM區(qū)內(nèi)皮細胞中會顯著降低，HSPCs的發(fā)育受到影響。因此，AGM區(qū)內(nèi)皮細胞產(chǎn)生的5-HT參與調(diào)控胚胎期HSPCs的發(fā)育。
RNA-seq及生化實驗證實，AGM區(qū)5-HT的降低會激活AKT-Foxo1介導的促凋亡通路，致使小鼠胚胎造血簇中HSPCs凋亡顯著增加。這一過程是由5-HT的受體Htr5a介導的。此外，研究過程中意外地發(fā)現(xiàn)，盡管在tph2-/-和pet1-cre;tph2fl/fl胚胎中，凋亡信號顯著上調(diào)，但AGM區(qū)造血簇數(shù)量卻是正常的。深入研究發(fā)現(xiàn)，在完全缺失tph2 的胚胎中，Shh-Nkx2.2-Lmx1b-Pet1通路因負反饋調(diào)控而上調(diào)，ERK信號被激活，導致造血簇中HSPCs增殖加快，進而使得tph2-/-胚胎中造血發(fā)育缺陷得到恢復。
上述工作證實了5-HT在胚胎期HSPCs發(fā)育和擴增中的直接作用。該研究不僅拓展和完善了體內(nèi)HSPCs發(fā)育過程的調(diào)控機制，同時也為體外誘導和擴增有功能的HSPCs提供了新思路。該研究論文以5-hydroxytryptamine synthesized in the aorta-gonad-mesonephros regulates hematopoietic stem and progenitor cell survival 為題于12月28日在線發(fā)表于《實驗醫(yī)學雜志》（Journal Experimental Medicine，DOI: 10.1084/jem.20150906）。
研究組博士研究生呂軍華和副研究員王璐為共同作者，劉峰為通訊作者，同濟大學醫(yī)學院教授丁玉強給予工具小鼠方面的大力支持。該課題得到了中科院干細胞與再生醫(yī)學戰(zhàn)略性先導科技專項、國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目和國家重點基礎研究發(fā)展計劃的資助。
http://jem.rupress.org/content/early/2016/12/27/jem.20150906
