功能性红细胞的体外再生是缓解临床用血需求的重要途径之一。多能干细胞 （Pluripotent Stem Cells, PSC）因其具有无限扩增的潜能，理论上是生成红细胞（Red Blood Cells）的最理想来源。但是，PSC来源的红细胞脱核率极低，成人型血红蛋白表达严重不足，导致该技术体系获得的红细胞数量很少。同样具有多谱系分化潜能的特征，人脐带血单个核细胞（UCBMN）也是体外红细胞再生主要的细胞来源之一。相较于PSC，UCBNN来源的红系祖细胞具有更高的增殖能力，产生的红细胞具有更高的脱核率和更高水平的成人型血红蛋白表达。因此，比较上述两种来源的终末红系分化体系，有望找到限制PSC来源的体外红细胞再生的分子机制，提升PSC来源红细胞的功能性成熟，这也是红细胞再生领域极为关注的重要科学问题。

3月18日，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）方向东研究组，联合军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所裴雪涛研究组联合在Cell Proliferation 期刊在线发表了题为“Decoding human in vitro terminal erythropoiesis originating from umbilical cord blood mononuclear cells and pluripotent stem cells”的研究论文，从单细胞转录组水平对人脐血和多能干细胞两种来源的终末红系分化体系进行了全面比较和深入解析，研究发现有望为PSC体外红细胞再生提供新的思路。

该研究绘制了UCBMN和PSC两个来源红细胞终末分化体系的单细胞转录组图谱，从单细胞水平发现调控血红蛋白转换开关的调节因子BCL11A 和 ZBTB7A的表达在PSC来源的红细胞显著缺失；同时，相比于UCBMN来源的红细胞，应激性红系造血（Stress Erythropoiesis）在PSC来源红细胞中不太活跃，在PSC红系终末分化体系中添加应激性红系造血基因TRIB3激动剂后，可显著提高PSC体系中成人型珠蛋白表达。这些因子可能是限制PSC来源红细胞中成人型血红蛋白表达的关键因素。此外，与UCBE相比，CASPASE 3 和 UBE2O等表观遗传相关蛋白和FOXO3 和 TAL1等转录因子在PSC来源红细胞中的表达显著降低，这些因子的低水平表达可能限制了 PSC来源红细胞的脱核效率。

研究人员在两种终末红系分化体系中还鉴定到了CFU-E红系祖细胞，发现这群细胞具有较强的异质性特征，并鉴定了一个具有高增殖能力的CFU-E亚群（CD99high）。通过在PSC来源红系终末分化体系中添加小分子化合物抑制 CD99 表达，发现在降低PSC来源红细胞增殖的同时促进了红细胞成熟。进一步通过细胞间通讯分析，研究人员在终末红系分化体系中还发现，CD99-CD99受体配体互作通路介导了巨噬细胞和CFU-E之间的相互作用，并且与CFU-E亚群（CD99high）互作更加强烈。由于CD99在红系分化过程中表达水平逐渐降低，推测巨噬细胞可能通过CD99表达水平变化的调节，参与调控巨噬细胞与红系细胞的相互作用，进而参与了体外红细胞逐步分化成熟的生物学过程。

综上，本研究从单细胞水平解析了人脐血和多能干细胞来源的红系终末分化体系和限制PSC体外红细胞再生的分子机制，该发现将为改善PSC来源体外红细胞再生提供新的见解。

中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）方向东研究员、张昭军副研究员，军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所裴雪涛教授、习佳飞副教授为论文的共同通讯作者。军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所博士生王晓玲，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）博士生张苇为文章的并列第一作者。本工作得到了中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等项目的资助。

红系终末分化体系的细胞互作分析

论文链接