单细胞水平解析胚胎血管内皮细胞的造血特化

The birth of blood cells is closely associated with the development of embryonic vascular system. Definitive hematopoiesis, including the generation of hematopoietic stem cells, is derived from a type of specified vascular endothelial cells in mid-gestational embryos, namely hemogenic endothelial cells. Hemogenic specification of vascular endothelial cells is a critical step during blood generation, thus an in-depth understanding of this process will provide an important theoretical basis for hematopoietic stem cell regeneration strategies. However, due to the scarcity and the transient development of hemogenic endothelial cells, efficient capturing of these cells has not been achieved. In this study, we will perform single-cell transcriptome sequencing of vascular endothelial cells and hematopoietic-related populations within hematopoietic tissues in the mid-gestational mouse embryos. Through bioinformatics analysis, we aim to capture the hemogenic endothelial cells and investigate their molecular and signal pathway characteristics, especially compare the differences in the lineage origins and molecular features between the intra-embryonic and extra-embryonic hemogenic endothelial cell populations. We will screen for the surface marker combination to highly enrich the hemogenic endothelial cells. The enrichment will be determined by both in vitro single-cell functional assays and in vivo transplantation assays. We will further explore the developmental dynamics and the potential heterogeneity of the functional hemogenic endothelial cells.

造血系统的发生与血管系统发育密不可分。包括造血干细胞在内的定向造血起源于胚胎发育中的血管内皮细胞，即生血内皮。血管内皮细胞的造血特化是造血发生的关键环节，因此对于该过程的深入认识必将为造血干细胞再生策略研究提供重要的理论依据。然而由于生血内皮细胞数量稀少以及发育转瞬即逝，研究者还一直未能实现对它的高效捕获。本研究中，我们将对小鼠胚胎发育中期造血发生位点的血管内皮细胞以及造血相关群体进行单细胞转录组测序；通过生物信息学分析，捕捉生血内皮细胞群体，并揭示其分子及信号通路特征，特别是比较胚内和胚外生血内皮细胞群体在谱系起源以及分子标志上的差异性；通过筛选获得高效富集生血内皮细胞的表面标志组合，结合体外单细胞功能实验以及体内移植重建实验验证其富集特性；在此基础上，进一步揭示功能性生血内皮细胞的发育动力学特征以及体内外潜能异质性。

造血系统的发生与血管系统发育密不可分。包括造血干细胞在内的多种造血前体起源于胚胎发育中的血管内皮细胞，即生血内皮。血管内皮细胞的造血特化是造血发生的关键环节，因此对于该过程的深入认识必将为造血干细胞再生策略研究提供重要的理论依据。本项目中，我们先后构建了人类和小鼠胚胎从原始内皮细胞到造血干细胞整个发育过程的单细胞转录组图谱；明晰了哺乳动物血管发育早期内皮细胞异质性，发现胚内存在不同特征的动脉内皮细胞；一方面揭示了胚胎最早并广泛发生的内皮细胞静脉-动脉命运转换，重构血管发育早期胚内动静脉特化模式；另一方面利用Neurl3-EGFP以及表面标志组合PK44实现了小鼠造血干细胞生血内皮的高精度捕获，揭示从原始内皮细胞经历动脉内皮细胞到造血干细胞生血内皮的多步特化路径及分子演进。此外，进一步揭示了PK44所富集的生血内皮群体在胚内外的功能及转录组的异质性特征；并发现卵黄囊的动脉特征并非内皮细胞淋系造血潜能所必需。为进一步明晰造血干细胞从内皮细胞发生的多维调控机制，我们构建了从内皮细胞向造血干细胞发育过程的lncRNA表达单细胞图谱和RNA剪接单细胞图谱，揭示lncRNA-H19调控内皮向造血干细胞转化的重要生理功能及表观机制,发现RNA剪接因子Srsf2通过改变内皮-造血转化过程中关键基因的剪接模式对造血干细胞发生至关重要；我们还构建从动脉内皮细胞向造血干细胞发育路径上关键细胞群体的DNA甲基化图谱、染色质高级结构、多种组蛋白修饰及Runx1全基因组结合位点等多维表观图谱，揭示造血干细胞发生的表观层级调控规律，发现造血转录因子在生血内皮上游动脉内皮细胞阶段的预激活特征。这些发现为深入理解各类造血前体从内皮细胞的重头起源路径和造血干细胞发生的表观机制以有效指导体内外造血再生提供重要理论基础和数据库资源。