科学家第贰回公布MuranoNA表观修饰在造血干细胞生长中的关键作用

血液是生命的源泉。不断流动的血细胞既可以运输营养物质,又是重要的免疫保护屏障。其中,所有的血细胞都来源于造血干细胞。这群干细胞不仅可以维持血液系统的长期稳定,也是骨髓移植治疗恶性血液疾病的核心组分。目前,造血干细胞来源仍是制约临床恶性血液疾病治疗的瓶颈。因此,造血干细胞的体内发育和体外诱导扩增已成为当今科学界的热点课题之一。

中科院发现造血干细胞发育关键调控机制

血液,犹如生命的“河流”,静静地在生物体内流淌,哺育着每一个“细胞”。然而,成体血液的再生与再造,一直是临床恶性血液疾病治疗过程中难以攻克的瓶颈。作为脊椎动物血液的源泉,具有自我更新和多系分化潜能的造血干细胞的体外诱导和扩增,一直是组织器官再造的前沿课题,更是众多恶性血液疾病患者的希望。由于对血液发生复杂调控网络了解的局限性,目前尚未建立成功可行的方案。

在脊椎动物中,造血干细胞最初由特化的生血内皮通过内皮-造血转化过程产生于胚胎期主动脉-性腺-中肾区,随后向胎肝或尾部造血组织迁移并进行扩增,向胸腺迁移以便发育为淋系细胞,最后,向骨髓或肾髓迁移以维持终生造血。经过几十年的研究与探索,科学家对于造血干细胞的体内发育和体外诱导分化已有了基本了解,但对整个过程的动态调控机制的认识仍不完善,尤其对于表观遗传修饰在脊椎动物造血干细胞发育过程中的作用更是知之甚少。

中国科学院最近的一项工作首次揭示了N6-甲基腺嘌呤甲基化修饰在造血干细胞发育中的关键作用,成为该研究领域的一项重大科研突破。相关成果北京时间9月7日凌晨在英国《自然》杂志上发表。

脊椎动物的造血过程分为两个阶段:初级造血和次级造血。其中,造血干细胞产生于次级造血过程。在胚胎期的主动脉-性腺-中肾区域,造血干细胞由特化的生血内皮细胞通过内皮-造血转化过程产生,随后迁移至胎肝或者尾部造血组织进行扩增和分化,部分前体细胞迁移至胸腺,分化成淋巴细胞。最后,造血干细胞迁移至骨髓或者肾髓维持机体终身造血过程。迄今为止,在造血干细胞产生及分化过程中,已发现诸多信号通路和转录因子具有关键的调控作用。然而,对于表观遗传修饰,尤其是RNA甲基化,调控血液发生的研究却极其有限。

m6A是最常见、最丰富的真核生物mRNA转录后修饰形式之一。该修饰过程是动态可逆的,并由甲基转移酶复合体(由METTL3、WTAP和METTL14组成)、去甲基酶(FTO和ALKBH5)和相应的阅读器(YTHDF或YTHDC等)协同调控。目前,m6A的生物学功能已备受关注,并成为生命科学热门研究领域之一,《自然》杂志此前连续刊文,报道了m6A在斑马鱼早期发育、果蝇性别决定以及T细胞稳态中的功能。自此,人们对于m6A修饰已经有了初步了解和认识,但是,该修饰的生物学功能以及其作用机制仍有待深入探索和挖掘。

中科院动物所研究员刘峰领导的血液与心血管发育研究组长期以斑马鱼为模式生物研究造血干细胞发育的分子调控机制。前期与中科院北京基因组研究所杨运桂实验室合作研究发现并鉴定了斑马鱼中的m6A甲基转移酶复合体成分。在此基础上,研究人员发现,缺失m6A甲基转移酶mettl3后,m6A在胚胎发育相关mRNA中的富集程度显著下降。同时,在斑马鱼的血液-血管系统中,可检测到mettl3的特异性表达。由此推测,m6A修饰与血液发育过程密切相关。

此前,中国科学院动物研究所刘峰实验室与中科院北京基因组研究所杨运桂实验室合作,发现mRNA的m6A修饰调控斑马鱼造血干细胞的命运决定。在此基础上,刘峰实验室与中科院院士周琪、李伟实验室、杨运桂实验室继续合作,利用条件性敲除系统,进一步揭示m6A在小鼠造血干细胞发育过程中的生物学功能,并深入探索其作用机制。

中国科学院动物研究所研究员刘峰领导的血液与心血管发育研究组长期以斑马鱼为模式生物,研究造血干细胞发育的分子调控机制。前期与中科院北京基因组研究所杨运桂实验室合作研究,发现并鉴定了斑马鱼中的m6A甲基转移酶复合体成分(Cell
Res
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2014)。在此基础上,研究人员通过m6A测序技术发现,缺失m6A甲基转移酶mettl3后,m6A在胚胎发育相关mRNA中的富集程度显著下降。同时,在斑马鱼的血液-血管系统中,可检测到mettl3的特异性表达。由此推测,m6A修饰与血液发育过程密切相关。系统的表型检测显示,在mettl3缺失的胚胎中,造血干细胞不能正常产生,血管的内皮特性却明显增强,内皮-造血转化过程受到阻断。m6A-Seq和RNA-Seq综合分析发现,在mettl3缺失的胚胎中,一系列动脉内皮发育相关的基因尤其是notch1a的m6A修饰水平显著降低,而其mRNA水平却显著升高。上述结果证明,m6A修饰与EHT过程中内皮和造血基因表达的平衡调控相关。此外,YTHDF2-RIP-Seq和单碱基分辨率的m6A-miCLIP-Seq测序发现,m6A通过YTHDF2介导notch1a
mRNA的稳定性,以维持EHT过程中内皮细胞和造血细胞基因表达的平衡,进而调控造血干细胞的命运决定。上述结果在小鼠中也得到了验证,证明m6A对造血干细胞命运决定的调控在脊椎动物中是保守的。

系统的表型检测显示,在mettl3缺失的胚胎中,造血干细胞不能正常产生,血管的内皮特性却明显增强,内皮-造血转化过程受到阻断。同时,一系列动脉内皮发育相关的基因的m6A修饰水平显著降低,而其mRNA水平却显著升高。上述结果证明,m6A修饰与内皮-造血转化过程中内皮和造血基因表达的平衡调控相关。

首先,利用Vec-Cre在血管内皮细胞中特异性敲除m6A甲基转移酶复合体重要组分Mettl3,发现血管内皮细胞中的m6A水平显著降低。系统的表型分析结果显示,在内皮细胞特异性敲除Mettl3的小鼠胚胎里,造血干细胞的命运决定受到影响,血管动脉内皮特性增强。但在血细胞中特异性敲除Mettl3,并不影响造血干细胞的产生。其次,通过RNA-seq分析发现,在内皮细胞特异性敲除Mettl3的小鼠AGM组织中,Notch信号通路被过度激活,其中,以Notch1为代表的动脉内皮相关基因的表达量显著上调。同时,m6A-RIP-qPCR结果表明,Notch1
mRNA的m6A富集程度显著降低。上述结果说明,血管内皮细胞m6A修饰的缺失,影响了Notch1在造血干细胞命运决定过程中的动态平衡。此外,结合已报道的测序数据分析发现,m6A修饰识别蛋白Ythdf2的结合区段与Notch1
mRNA上发生m6A修饰的区段有重叠,这预示m6A修饰调控Notch1
mRNA可能是通过Ythdf2介导的。