造血干细胞体内产生及体外诱导的机制研究

The key of bone marrow transplantation (BMT) for treatment of hematological diseases is to reconstitute hematopoietic system in patients with healthy hematopoietic stem cells (HSCs). However, there are limitations with this BMT method including the lack of BM donors, and allogeneic graft issues, and so far, it is not possible yet to obtain a large amount of transplantable HSCs for clinical application. The bottleneck to address this question is that our understanding on the de novo production of HSCs through endothelial-to-hematopoietic transition (EHT) is still incomplete. Our group has been working on ‘hematopoietic stem cell development and differentiation’ for the past six years and published our work in high profile journals including PNAS, Blood, Nature Communications, Cell Research etc. In this grant proposal, we plan to study the critical stages of HSC development, by using single-cell transcriptome sequencing and other assays, with hope to determine the key factors involved in the EHT process and to define the underlying molecular mechanism. Importantly, these findings derived from in vivo studies will help us design a more realistic and efficient method to generate and/or expand HSCs in vitro or ex vivo for therapeutic use.

骨髓移植治疗血液疾病的核心是利用健康的造血干细胞重建病人造血系统，但该方法存在很多局限，临床上也没有从体外获得大量可移植造血干细胞的有效方案。解决此问题的瓶颈在于虽然已证实造血干细胞是由生血内皮通过内皮-造血转化过程产生的，但关于此过程机制却知之甚少。本课题组前期围绕“造血干细胞产生及分化”开展了一系列工作。这些成果拓展了我们对血液系统发育的认识，然而造血干细胞产生尤其是内皮-造血转化过程仍需要深入系统的研究。本项目拟从体内造血干细胞产生关键阶段的单细胞全基因组转录水平检测入手，寻找并验证生血内皮命运决定和内皮-造血转化（EHT）过程的关键因子，解析信号通路动态调控该过程的分子机制；以体内造血干细胞产生的调控机制为理论基础，利用新发现关键因子和信号的动态调控方式，探索体外诱导并获得大量造血干细胞的新方法，为体外获得有功能的造血干细胞并应用于转化医学提供新思路。

从体外获得有功能的造血干细胞是基础科学和再生医学关注的焦点。解决此问题的瓶颈就在于人们对造血干细胞的产生机制知之甚少。我们围绕“造血干细胞体内产生及体外诱导的机制研究”这一科学问题，通过细胞生物学和分子生物学等多种研究手段，以遗传与表观遗传调控因子为切入点，从多角度、多层次系统阐释造血干细胞产生的调控网络。我们鉴定了m6A甲基化修饰、初级纤毛、Rab5c介导的膜泡运输、Smarca5介导的染色质重塑、RNA聚合酶Ⅲ的组分Rpc9是生血内皮命运决定以及造血干细胞产生或分化的关键因子，解析了上述关键因子调控造血干细胞发育的分子机制（Development, 2016; Nature, 2017; Cell Res, 2018; Nat Commun, 2019; PLoS Biol, 2020; Blood, 2020）。我们揭示了组织微环境，包括内皮细胞和以及动脉-性腺-中肾区合成的5-羟色胺等，与造血干细胞间的关系及调控作用（J Exp Med, 2017; Dev Cell, 2017; Cell Rep, 2019），构建了新型斑马鱼新免疫缺陷模型并用于造血干细胞移植和同种异体细胞移植（Stem Cell Reports, 2020）。此外，我们解析了DNA甲基化修饰调控胚胎左右不对称发育的分子机制（EMBO J, 2017）。上述研究不仅拓展了我们对于造血干细胞体内产生过程的认识，还指导我们建立并完善了体外诱导造血干细胞的体系。