文献阅读：单细胞转录组学分析在人类个体发生过程中识别出红系前体中的免疫易感人群

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题目：Single-cell transcriptomic analysis identifies an immune-prone population in erythroid precursors during human ontogenesis

作者：中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）石莉红研究员、周家喜研究员与解放军总医院第五医学中心刘兵研究员、暨南大学兰雨研究员合作

期刊：Nature Immunology

2022年6月27日，在线发表了题为Single-cell transcriptomic analysis identifies an immune-prone population in erythroid precursors during human ontogenesis的研究论文。该研究对人体多个发育阶段位点（卵黄囊、胎肝、早产及正常脐带血和成人骨髓）的有核红细胞进行了单细胞转录组测序分析，构建了人类有核红细胞从胚胎到成年的细胞和分子全景图，揭示了有核红细胞的异质性和发育阶段特异性，鉴定并证实了一个有核红细胞新功能群体─免疫调控红细胞亚群。总之，这一研究不但开辟了红细胞免疫调控生理及病理研究新领域，而且为红细胞体外生产提供了坚实的理论基础。
首先，研究人员对不同发育阶段的有核红细胞进行无偏颇分析，发现其整体可以分为经典有核红细胞亚群和具有免疫调控特征的有核红细胞亚群。对经典有核红细胞亚群的深入分析揭示了不同位点来源有核红细胞在信号通路和转录调控等方面的差异，发现了卵黄囊有核红细胞具备的离子转运、高蛋白合成等独特的性质。此外，为了更进一步指导体外再生，研究人员还将体内红细胞与体外胚胎干细胞诱导分化而来的红细胞进行了平行比较，发现由体外产生的红细胞存在蛋白合成不足、代谢紊乱等缺陷，这可能是体外无法高效产生功能性红细胞的原因之一。
随后，研究人员将重点聚焦在上述发现的免疫调控红细胞亚群，时序分析发现该亚群具有与经典红细胞不同的分化路径。通过计算，研究人员筛选到免疫调控红细胞亚群中特异性高表达的表面标志CD63，并在人胎肝组织原位检测到CD63表达的有核红细胞。为了进一步探究该细胞亚群的功能，研究人员从人胎肝、脐带血及成年骨髓多个位点分选出表达CD63的有核红细胞亚群，并将其与不同的免疫细胞群体共孵育，发现其显著促进了免疫细胞中炎症因子的分泌，证明了该亚群的免疫调控功能。细胞间互作（受配体对）分析还发现，与经典有核红细胞相比，免疫调控红细胞与各种免疫细胞之间存在更广泛、更强的潜在相互作用。此外，免疫调控红细胞还兼容了红细胞与免疫细胞两套转录调控。总之，这些结果证明了免疫调控红细胞亚群的调控功能，并提供了免疫调控红细胞调控免疫细胞的分子基础。
综上所述，该研究对人体发育过程中多个器官有核红细胞的分子表征和异质性进行了系统分析，揭示了人早期胚胎红细胞独特的分子特征，为红细胞领域提供了非常有价值的数据资源，为体外批量产生功能性红细胞奠定了理论基础；同时，本研究还成功鉴定和验证了免疫红细胞亚群的存在，开拓了有核红细胞的新功能研究领域。免疫调控红细胞作为免疫调控网络中的新成员，有望重塑机体稳态及疾病状态下的免疫调控网络，将为深刻认知多种重大疾病的发生、发展及治疗中的免疫调控提供全新的视角。
石莉红研究员、刘兵研究员、周家喜研究员与兰雨研究员为本研究共同通讯作者。中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）博士生徐长禄、副研究员王洪涛、博士生张英楠、硕士生吴静，西部战区总医院贺健博士，天津市中心妇产科医院赵璐主任为本研究共同第一作者。

专家点评

安秀丽（纽约血液中心）哺乳动物的红细胞是血液中数量最多的血细胞，其分化发育受到精细的调控，有核红细胞逐步成熟，并最终脱核产生成熟红细胞，后者的双凹圆饼状可以使其最大限度地从周围摄取氧气，同时血红蛋白也是红细胞中含量最高的蛋白质。红细胞这些特性决定了它的主要功能，即进行氧气和二氧化碳的运输。然而，前期的绝大多数研究都是基于脐带血、成人骨髓或体外红系诱导分化体系进行的，对于人胚早期的红细胞功能异质性和分子特征还知之甚少。来自中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）石莉红研究员、周家喜研究员与解放军总医院第五医学中心刘兵教授、暨南大学兰雨教授合作在Nature Immunology发表的这一研究论文，对来自人卵黄囊、胎肝、早产及正常脐带血和成人骨髓的有核红细胞异质性和分子特征进行了精细解析，阐明了不同来源有核红细胞独有的特性，同时还鉴定并验证了一群具有免疫调控功能的有核红细胞亚群，将红细胞的功能学研究拓展到新的维度，增加了人们对于红细胞功能异质性的认知。本研究从红细胞出现的第一个解剖位点出发，解析了有核红细胞从胚胎到成体的分子构成，同时也填补了人胚早期发育阶段红细胞分子特征的空白，对红细胞领域具有重要参考价值。此外，他们在人卵黄囊红细胞中发现的独有的离子转运功能提示该时期的红细胞可能具有支持胎儿正常发育的功能，这为将来探究胚胎早期红细胞的功能提供了新的研究方向。体外大量生产功能性红细胞也是红细胞研究领域一直未解决的难题，这主要归结于我们对体内外红细胞生成过程中存在的分子差异了解不足。在这项研究中，他们还将由人胚胎干细胞体外诱导分化产生的有核红细胞和体内来源的有核红细胞进行了平行比较，结果发现人胚胎干细胞分化而来的有核红细胞存在着代谢异常、蛋白质合成不足等，包括细胞凋亡和铁死亡增加，自噬和溶酶体活性被激活等。这些发现可以给我们一些新的启示去指导我们优化体外红细胞生成体系，比如抑制凋亡的发生，降低自噬和溶酶体活性等来提高体外体系产生红细胞的效率。总而言之，该合作团队的这项工作对人红细胞分化发育研究具有重要的参考价值，同时提供了珍贵的参考数据。人胚早期发育阶段红细胞功能异质性和分子特征的全面解析可以帮助我们更加深入认识红细胞疾病，尤其是儿童红细胞相关疾病的发病机制，从而为开发新的治疗方法奠定理论基础；另外这篇研究还为体外红细胞的批量生产提供了理论支持，使得体外大量生产血液成分替代品成为可能。专家点评[图片上传失败...(image-e546d0-1656383051115)]

胡洪波（四川大学）红细胞数量多，起源早（胚胎期第一波造血即有红细胞的产生），一直以来被认为是一群高同质性的细胞，是血液和机体内氧气供应和运输的载体，其发育和功能缺陷造成的贫血及其他疾病也均于此相关；而对红细胞异质性和携氧之外的功能了解甚少。针对这一未知领域，石莉红研究员、刘兵研究员、周家喜研究员与兰雨研究员合作发表在Nature Immunology中的文章，通过单细胞转录组测序结合表型鉴定和功能分析，首先解析了红细胞的功能异质性，分成经典和非经典红细胞。其中，卵黄囊经典红细胞具有更高的离子转运、蛋白合成等功能特征。更重要的是，该研究发现了一个新的具有免疫调节功能的红细胞亚群，该细胞亚群富集免疫反应、细胞因子介导信号通路相关基因和受体，如IL1B、TNFSF10和TNFSF13B等。GATA2在免疫调控红细胞特异性高表达，提示GATA2有可能在免疫调控红细胞发育和/或免疫相关功能起重要作用。此外，该细胞亚群出现在最早的造血位点卵黄囊，并存在于之后的胎肝、脐带血以及成人骨髓中，说明免疫调控红细胞不是仅存在某个特定造血发生位点和胚胎发育阶段。通过转录组和流式细胞分析，他们还确定了CD63可作为免疫调控红细胞特异性表面分子和分选标志物，并分选了这群细胞进行免疫功能验证。结果表明，在有LPS刺激的条件下，免疫调控红细胞能调控人外周血单个核细胞，特别是CD11b+巨噬/单核细胞产生炎症细胞因子的能力；细胞间相互作用分析提示免疫调控红细胞可通过KLRC1—HLA-E调节NK细胞活性、通过MIF-CD74调节B细胞的功能等。综上，该研究鉴定并证明了具有免疫调控功能的红细胞亚群，开拓了红细胞发育和功能研究的新领域，为研究生理、病理条件下免疫稳态维持的机制提供了新线索，同时也提出了很多有意思的研究方向，例如：小鼠体内是否存在对应的免疫调控红细胞亚群？其发育轨迹、起源、功能和人源的免疫调控红细胞有哪些异同？虽然本研究比较了卵黄囊、胎肝、脐带血和骨髓中免疫调控红细胞分子特征的差异，但其本质的功能异同是怎样的？又提示着怎样的生理学意义？总而言之，该研究有望开辟红细胞及免疫调控领域的新方向，加深人们对于稳态和疾病状态下免疫调控网络的认知，同时为开发靶向机体免疫调控功能的治疗方案提供了全新的视角。