组织驻留巨噬细胞(tissue-resident macrophages)起源于不同的发育来源,但其成体补充长期被认为完全依赖循环单核细胞(circulating monocytes)。研究人员在成体骨髓中鉴定出一类此前未被认识的CD4谱系红系-髓系祖细胞(erythro–myeloid progenitor, EMPROR)。EMPROR细胞在表型与转录组上区别于造血干细胞(hematopoietic stem cell, HSC)、共同髓系祖细胞(common myeloid progenitor, CMP)及单核细胞前体,不表达Csf1r与Ccr2,而表达Cd4与Kit。通过单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)、RNA速率(RNA velocity)分析及谱系示踪实验,研究人员证实其具有向巨噬细胞、中性粒细胞、巨核细胞及红系细胞分化的潜能。EMPROR可在不依赖CCR2介导单核细胞招募的条件下生成血管周围巨噬细胞(perivascular macrophages, PVM)与肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages, TAM),并在炎症与肿瘤状态下参与红系与粒系重建。转录组比较显示,EMPROR最接近胚胎红系-髓系祖细胞(embryonic erythro–myeloid progenitors),提示成体骨髓中保留有胚胎样造血程序。该发现揭示了成体髓系生成的新替代通路,拓展了超越经典单核细胞谱系的巨噬细胞多样性来源认知。
论文解读:成体骨髓中EMPROR细胞与巨噬细胞生成的替代通路
研究背景与科学问题
组织驻留巨噬细胞(tissue-resident macrophages)是维持组织稳态与调控炎症的核心免疫细胞。传统观点认为,胚胎期巨噬细胞多源于卵黄囊红系-髓系前体(erythro–myeloid progenitors, EMPs)与胎肝单核前体,出生后可长期自我更新;成体在炎症、损伤与肿瘤中新增的巨噬细胞则主要依赖循环单核细胞(circulating monocytes)渗出组织后分化而来。既有的经典框架将成体髓系生成严格划分为“造血干细胞(HSC)—髓系祖细胞—单核细胞—巨噬细胞”线性路径,并认为胚胎EMP样程序在出生后即消失。然而,特定组织微环境(如血管周围间隙)中某些巨噬细胞亚群的起源并不易被单核细胞谱系追踪完全解释,成体是否仍保留非单核细胞依赖的替代性前体,长期悬而未决。该研究正是围绕这一空白展开:是否存在一类成体骨髓内、具有EMP样特征、可绕过单核细胞直接贡献巨噬细胞的祖细胞。
研究人员通过构建报告小鼠模型与多层级功能验证,鉴定出一类命名为EMPROR(Erythro–Myeloid PRogenitOR)的CD4谱系红系-髓系祖细胞,证明其可独立生成血管周围巨噬细胞(perivascular macrophages, PVMs)与肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages, TAMs),并保留红系、粒系与巨核系多向分化潜能。论文发表于《Nature Immunology》,重构了成体髓系发生的层级认知。
主要技术方法概览
研究以DPE-GFP转基因小鼠(Cd4位点驱动GFP表达)及DPE-GFP:Rag1−/−、DPE-GFP:mT/mG、Ccr2−/−交叉品系为样本来源,结合骨髓嵌合体(bone marrow chimera)与同源E0771乳腺肿瘤移植队列。关键方法包括高纯度流式分选、单细胞RNA测序(scRNA-seq)与批量RNA测序、RNA速率轨迹推断、鞘内巨噬细胞清除后前体回输、甲基纤维素集落培养(MethoCult体系)、体内谱系追踪及活体双光子成像,以此串联“表型鉴定—转录特征—体外集落潜能—在体组织归巢”证据链。
研究结果
BM progenitors generate PVMs during inflammation
研究人员利用DPE-GFP模型发现,皮肤、乳腺脂肪垫、脑膜等组织的血管周围巨噬细胞选择性表达GFP。在骨髓嵌合体与肿瘤模型中,供体骨髓可缓慢但明确地补充PVM与肿瘤相关巨噬细胞,提示骨髓中存在非成熟单核细胞形态的PVM前体。
An EMP in adult BM
流式分析界定Lin−GFP+CD115−CD117+CD135−群体即EMPROR,缺乏Sca-1、CD150等HSC标志,也不表达Csf1r、Ccr2。scRNA-seq显示其具髓系、红系、巨核系转录痕迹,RNA velocity指向巨噬/树突、中性粒与红系分支。
Transcriptional profiling of EMPROR cells
批量与单细胞转录组均显示EMPROR远离cMoP(common monocyte progenitor)、单核细胞与HSC簇,具独有基因模块,富集造血、红系与髓系发育通路,呈现胚胎EMP样程序残留。
Lineage potential of EMPROR cells
体外M-CSF培养与甲基纤维素培养证明EMPROR可分化为巨噬细胞、中性粒细胞、红细胞与巨核细胞,但不具树突状细胞(DC)与淋系潜能;鞘内回输仅EMPROR可重建GFP+ PVM网络,而cMoP与单核细胞不能。
EMPROR cells give rise to erythroid and myeloid cells during tumor development in vivo
在E0771肿瘤宿主中,回输EMPROR后于肿瘤、肝、肺、骨髓与外周血检出供体来源的巨噬细胞、中性粒细胞、Kupffer细胞及Ter119+红细胞,证实其在体红髓多向贡献;Ccr2敲除小鼠仍见GFP+ PVM浸润,说明该通路不依赖CCR2单核细胞招募。
Adult EMPROR cells transcriptionally resemble embryonic EMPROR cells and EMPs
成体EMPROR与胎肝eEMPROR、经典EMP、前巨噬细胞(pre-macrophages, pMacs)聚集成支,远离HSC与cMoP,证明成体仍保存胚胎样红髓祖细胞转录状态。
讨论与结论翻译
讨论指出,成体巨噬细胞生成并非仅有单核细胞单一入口。EMPROR以“胚胎样、红髓双潜能、CCR2非依赖”方式补充PVM与TAM,挑战了传统成体髓系层级。其意义在于:第一,证明胚胎红髓程序可延续至成年骨髓;第二,为炎症、肿瘤及单核细胞缺陷状态下的组织巨噬细胞更新提供替代细胞来源;第三,提示不同组织生态位可能选择性招募不同前体。研究人员总结:EMPROR是成体骨髓中首个可识别的EMP样状态,在功能与转录上镜像胚胎EMP,定义了单核细胞非依赖的巨噬细胞生成新通路。
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