炎性信号和BLOS2调控小鼠造血干细胞发育的机制研究

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造血干细胞(hematopoietic stem cells,HSCs)是血液系统中所有血细胞的始祖细胞,具备自我更新和多向分化的潜能。造血干细胞功能异常是许多血液系统疾病的根源。脊椎动物胚胎期的造血干细胞产生于动脉-性腺-中肾区(aorta-gonad-mesonephros,AGM)区域的一群特殊的生血内皮(hemogenicendothelium,HE)细胞,生血内皮细胞经过内皮-造血转化过程(endothelial-to-hematopoietic transition,EHT)产生造血干细胞。在小鼠胚胎造血发育过程中,AGM区产生的造血干细胞随后迁移至胚胎期肝脏,进行大量扩增和分化形成各系前体细胞。内皮造血转化过程的启动、造血干细胞在胎肝的扩增和分化以及自我更新能力的维持涉及多种信号通路和调节因子。Notch信号通路对于胚胎期造血干细胞的产生是必须的。最新的研究发现,Notch信号通路的持续性激活或者抑制对胚胎期造血干细胞发育都是不利的,但具体机制不明。因此,对于Notch信号通路参与调控造血干细胞产生和稳态维持的分子机制仍需要进一步研究探索。  之前的研究报道发现,炎性信号通路主要通过调节髓系前体细胞分化为成熟的免疫细胞,从而产生机体炎症反应。近来研究发现,炎性信号通路相关的受体在骨髓造血干细胞表面也有表达。在外界免疫原刺激下,造血干细胞通过激活自身的炎性信号通路,可以更迅速的产生炎症因子以及成熟的免疫细胞保护机体,构成了机体防御外界刺激的第一道防线。炎性信号通路是否参与胚胎期造血干细胞发育还没有相关报道。本论文中,我们利用可标记生血内皮和造血干细胞的转基因斑马鱼Tg(runx1:en-GFP),分离造血干细胞进行转录本深度测序;发现造血干细胞中高度富集炎症相关信号通路的基因,尤其是TLR4-Myd88-NFκB信号通路在生血内皮和造血干细胞中高度表达。当抑制或者阻断炎症相关信号通路后,造血干细胞的产生和造血重建的能力均受到了抑制。进一步的研究发现,炎性信号通路对造血干细胞产生的调控作用是通过Notch信号介导的。敲除炎性相关信号通路后,机体Notch信号通路明显受到抑制。而在内皮细胞中过表达NICD能部分回救炎性信号通路抑制导致的造血干细胞减少的表型。这些结果提示炎性信号通路可以通过调节Notch信号通路,从而参与调控胚胎期造血干细胞的产生。  此外我们通过对Bloc1s2基因敲除小鼠胚胎期造血系统表型的分析,发现BLOS2(Bloc1s2基因)可以通过内体-溶酶体降解途径直接调控Notch1受体,抑制Notch信号通路,进而调控胚胎期造血干细胞的产生和稳态维持。Bloc1s2基因敲除小鼠中,AGM区造血干细胞的产生和胎肝造血干细胞的数目都显著增加。但是造血细胞集落形成实验和体外诱导分化实验结果显示,Bloc1s2基因敲除小鼠胚胎中异常扩增的造血干细胞多系分化潜能受到抑制。造血干细胞长期移植实验进一步揭示,敲除鼠造血干细胞的重建造血和自我更新的能力均受到了抑制。机制研究发现BLOS2蛋白可以与Notch1蛋白直接结合,介导Notch1受体参与内体-溶酶体降解,进而调控Notch信号通路。由于Bloc1s2基因敲除鼠中造血发育相关的细胞内Notch信号通路持续激活,造血干细胞处于异常扩增的状态;抑制Notch信号通路可以部分回救Bloc1s2基因敲除小鼠造血发育及功能缺陷的表型。  在本研究中,体内体外的表型和功能实验都证实炎症相关信号通路和BLOS2都可以作为Notch信号通路的关键性调控因子,通过介导Notch信号通路参与调控胚胎期造血干细胞发育。此外,我们的研究揭示,胚胎期造血干细胞发育过程中, Notch信号通路的动态平衡对于维持造血干细胞自我更新和多向分化的潜能是十分必要的,这为深入解析胚胎期造血干细胞发育的调控机制提供了线索。同时,这一发现将炎性信号与胚胎期造血干细胞的产生过程联系起来,为体外获得造血干细胞提供了新的理论依据,也为临床造血干细胞移植和天然性免疫疾病的治疗提供了新的思路。
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