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Cell：李汉杰团队揭示人类早期发育过程中巨噬细胞的时空分化图谱

2023-09-14 11:15

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学Life science

巨噬细胞是人体最重要的免疫细胞之一，分布在多个组织与器官中。“位置决定功能”，人类早期发育过程巨噬细胞异质性，长期以来一直是领域内亟待探索的重要科学问题。

2023年9月12日，中国科学院深圳先进技术研究院李汉杰团队、深圳市宝安区妇幼保健院朱元方教授、深圳大学吴雪清教授、上海交通大学Florent Ginhoux教授、复旦大学代谢与整合生物学研究院王冠琳青年研究员团队，合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell《细胞》在线发表题为“An immune cell atlas reveals the dynamics of human macrophage specification during prenatal development”的研究论文。该研究论文基于单细胞转录组技术，结合多重免疫荧光染色和体外功能实验，构建了人类产前免疫细胞的时空图谱，发现并鉴定了在人类发育早期存在的两类新的巨噬细胞亚群，即类小胶质细胞(microglia-like cells)和促血管生成巨噬细胞（Proangiogenic macrophages，PraM）。

研究人员首先通过流式细胞分选技术分选了从4PCW至26PCW 囊括18个不同发育时间点、19个组织的CD45+细胞，并使用MARS-seq进行了单细胞测序，获得了近30万个高质量的单细胞，通过降维和聚类分析，确定了11个免疫细胞的大类，包括祖细胞、B淋巴细胞、T淋巴细胞、先天淋巴细胞、树突状细胞、自然杀伤细胞、单核细胞、巨核细胞、粒细胞、红细胞以及巨噬细胞。

为了理解人类产前阶段巨噬细胞产生、分化和功能的时空异质性，研究人员进一步对巨噬细胞进行了分类，注释了15个不同的亚群。通过对不同亚类巨噬细胞的转录组进行分析，研究人员发现在人类发育的早期，巨噬细胞的组织特异性已经表现出来，包括经典的中枢神经系统的小胶质细胞，存在于皮肤内的朗格汉斯细胞，肝脏中的枯否细胞，研究人员还发现睾丸和肾上腺中均存在组织特异的巨噬细胞等。除了组织器官特异性的巨噬细胞，研究人员也鉴定了“泛分布”的巨噬细胞，即存在于多个组织和器官中的巨噬细胞，如促血管生成巨噬细胞及其前体细胞。

在这项研究中，研究人员认为最亮点的发现主要有两个，其一是发现了中枢系统之外的“类”小胶质细胞。

当研究人员对巨噬细胞的转录组进行聚类分析时，一群细胞引起了他们的注意。有一群细胞在转录组水平和来自中枢神经系统（脑和脊髓）的小胶质细胞聚类在一起，高表达P2RY12、TMEM119、SALL1等小胶质细胞的特征基因。在进一步分析组织来源时，研究人员非常惊讶地发现，这群巨噬细胞主要来自于皮肤、心脏、睾丸等外周组织。长期以来，大家一直认为小胶质细胞是一群中枢神经系统特异性的巨噬细胞。

是数据分析错了，还是一群新的细胞呢？为了更加准确地理解这群细胞，研究人员结合流式分析技术和多重免疫荧光实验，在显微镜下胚胎的表皮中观察到了这群细胞，进一步分析发现这群细胞早在CS12期就存在于皮肤中，且在14PCW以前都是表皮中最主要的免疫细胞，到了20PCW后，被朗格汉斯细胞所代替。在胚胎心脏和睾丸中，研究人员也发现了这群细胞。研究人员将这类转录组上和经典的小胶质细胞相似，但是存在于外周组织中的巨噬细胞命名为类小胶质细胞，这一发现打破了小胶质细胞只存在于中枢神经系统的固有认知。

那么这群类小胶质细胞有什么功能呢？类小胶质细胞在发育早期大量存在于表皮中，研究人员发现类小胶质细胞具有明显的分布特征，和四肢、腹部相比，头部和背部表皮中更富集，在9 PCW时，背部表皮中几乎所有的免疫细胞都是类小胶质细胞，也就是说，类小胶质细胞呈现极化分布，这让研究人员想到这与神经嵴细胞（Neural crest cells, NCCs）的背外侧迁移路线相似，因此研究人员猜想类小胶质细胞可能与神经嵴细胞之间存在互作。研究人员使用多重免疫荧光实验证明了他们的猜想。通过进一步体外培养胚胎来源的皮肤组织，研究人员发现，清除类小胶质细胞会降低黑色素母细胞的数量。因此，表皮中的类小胶质细胞参与调控神经嵴细胞到黑色素细胞的分化。

另一个让研究人员兴奋的发现是鉴定到广泛分布于多个脏器的促血管生成巨噬细胞，他们首先通过转录组分析发现各个脏器中都存在一群高表达促血管生成基因的巨噬细胞，通过多重免疫荧光染色实验发现这群细胞主要富集在各个组织的血管周围。

那么这群分布广泛的促血管生成巨噬细胞是如何起源的呢？研究人员结合多种拟时序算法及真实采样时间，推断出这群细胞起源于卵黄囊的巨噬细胞前体，并使用成管的内皮细胞上清液来培养卵黄囊的巨噬细胞前体，发现可以诱导出表达促血管生成基因的巨噬细胞，进一步支持了促血管生成巨噬细胞的卵黄囊起源的假设。

综上所述，该研究通过构建人类产前免疫细胞的图谱，解析了巨噬细胞的时空发育过程，发现了两群新的巨噬细胞即类小胶质细胞和促血管生成巨噬细胞，从起源、功能等多个角度，理解了这两群新的巨噬细胞，有助于理解巨噬细胞在胚胎发育中的重要作用。这项研究也展现了单细胞组学技术与经典的实验技术相结合，对理解发育过程的强大助力作用。

中国科学院深圳先进技术研究院李汉杰研究员、深圳市宝安区妇幼保健院朱元方教授、深圳大学总医院吴雪清教授、上海交通大学医学院Florent Ginhoux教授、复旦大学代谢与整合生物学研究院青年研究员王冠琳博士为本文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院客座学生王泽帅（华中农业大学博士研究生）、吴志生（东南大学博士研究生）、研究助理冯若轻；深圳市宝安区妇幼保健院母胎医学研究所陈晓燕博士、王昊博士；复旦大学代谢与整合生物学研究院青年研究员王冠琳博士，厦门大学博士研究生李沐曦、以色列魏茨曼研究所王双寅博士为文章共同第一作者。

参考文献

1.Park, M.D., Silvin, A., Ginhoux, F., and Merad, M. (2022). Macrophages in health and disease. Cell 185, 4259-4279.

2.Guilliams, M., Thierry, G.R., Bonnardel, J., and Bajenoff, M. (2020). Establishment and Maintenance of the Macrophage Niche. Immunity 52, 434-451.

3.Mass, E., Ballesteros, I., Farlik, M., Halbritter, F., Gunther, P., Crozet, L., Jacome-Galarza, C.E.,Handler, K., Klughammer, J., Kobayashi, Y., et al. (2016). Specification of tissue-resident macrophages during organogenesis. Science 353.

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请李汉杰研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

您为何会关注免疫细胞的发育起源？

李汉杰研究员：

我长期致力于研究免疫细胞的多样性、分化和功能。在2020年我回国建立独立实验室以后，就把人类免疫细胞的发育作为实验室的主要研究方向提上了日程。理解人类早期免疫细胞的发育，对理解免疫系统的形成继而人体免疫力的形成，是至关重要的一环。多组学技术的发展，使得研究免疫系统中的单个细胞成为可能，这些都促进了我对免疫细胞的研究。

CellPress：

您为何在研究中聚焦了巨噬细胞？

李汉杰研究员：

巨噬细胞是所有免疫细胞中组织异质性最强的一群细胞，在维持机体稳态、发育、抗病菌和病毒等多个方面起到重要作用。很多疾病的发生，如老年痴呆症、动脉粥样硬化等，都与巨噬细胞有关。

CellPress：

作为一名免疫领域的专家，您认为本文最亮点的发现是什么？

李汉杰研究员：

在本研究中，我们重点聚焦了产前发育阶段的巨噬细胞异质性，发现了两群新的巨噬细胞。

一群我们命名为类小胶质细胞，这是一群和经典的小胶质细胞转录组表达谱非常类似，但却存在于表皮、心脏和睾丸等外周组织中的一群巨噬细胞。也就是说，这群细胞不在脑或者脊髓中。而传统观点认为，小胶质细胞只存在于中枢神经系统中，我们的研究发现在发育的特定时期，表皮、心脏和睾丸上均存在类小胶质细胞。

我们认为这绝对是一个非常激动人心的发现，我们也通过多种技术手段验证了这群类小胶质细胞的存在，发现这群类小胶质细胞与神经嵴细胞相互作用，参与调控了神经嵴细胞到黑色素细胞的分化。

CellPress：

您的团队有何进一步研究计划？

李汉杰研究员：

我们相信，这项研究为理解人类发育过程提供了非常宝贵的资源。事实上，这项研究还有很多问题需要解答。如类小胶质细胞与经典的小胶质细胞的功能上有哪些差异？类小胶质细胞是发育过程中出现的事件，在特定疾病条件下是否会在成年人中出现？进一步理解类小胶质细胞在发育过程中的功能等，是我们接下来要回答的问题。

CellPress：

这是一项多团队的研究工作，您在合作中有哪些经验可以分享？

李汉杰研究员：

是的，该研究是多个团队精诚合作的结果，大家都认可我们获得的是非常珍贵的数据资源，一定要做great science。我们研究工作由我带领的中国科学院深圳先进技术研究院团队与深圳市宝安区妇幼保健院、深圳大学、上海交通大学和复旦大学代谢与整合生物学研究院等多个单位的多名研究员、医生、博士生、研究生通力合作完成。除了辛勤工作的研究生和合作者，我还特别想感谢样本库的捐献者，没有他们，就没有这项研究。同时，我们还要感谢国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划、深圳市医学重点学科建设基金、复旦大学启动基金以及深圳市合成生物学创新研究院对本项目的支持。

作者团队介绍

李汉杰

研究员

李汉杰课题组采用“数据和假说双驱动”的研究范式，利用计算生物学、分子细胞生物学、临床样本和动物模型，深入探究人体免疫系统在发育、健康及疾病状态下的多样性、分化与功能。以第一或通讯作者（含共同）发表多篇高水平论文，包括Cell（2023，2019）、Cell Research（2020，2012）、Cellular and Molecular Immunology、Cell Discovery、Cell Reports等期刊，总引用超3400次。曾荣获欧盟“玛丽-居里奖学金”、德国“洪堡学者”。作为首席科学家，主持科技部重点研发计划“发育编程及其代谢调节”重点专项。