胚胎发育中，三胚层的细胞大量增殖分化，产生各种不同功能的细胞，形成组织器官。在此过程中，组织维持其干细胞基因组稳定性面临巨大挑战【1-3】。发育器官组织微环境如何形成和传递信号，激活干细胞内源性的基因组稳定机制目前尚不清楚；该保护机制不足或异常如何导致发育相关疾病（如儿童肿瘤）的发生，也亟待研究。
北京时间2024年12月5日，上海交通大学医学院洪登礼团队在Nature发表题为“Fetal hepatocytes protect the HSPC genome via fetuin-A”的文章。
该研究以胚胎造血发育为模型【4-5】，揭示了胚胎发育组织维持干细胞基因组稳定性及胚胎发育相关疾病起源的机制。
该团队先建立肝细胞示踪和敲除小鼠模型，研究发现，在胎儿肝脏（胎肝）发育早期，大量造血干祖细胞（HSPCs）由胎盘迁移至胎肝，而此时肝细胞数量相对较少。如此肝细胞的“滞后”发育，使大量刚迁入的HSPCs得不到有效的微环境保护，导致其基因组不稳定；在受到基因毒性物质刺激时，易产生DNA断裂和突变，启动白血病的发生。随着胎肝发育进行，肝细胞数量增多，HSPCs的基因组稳定性增强。
通过胎肝肝细胞与HSPCs体外共培养证实，肝细胞可以分泌细胞因子保护HSPCs的基因组。对肝细胞培养上清和胎肝组织进行质谱分析，鉴定到胎球蛋白A（fetuin-A）具有基因组保护作用。Fetua基因敲除的小鼠，胎肝中HSPCs的基因组稳定性显著降低；将fetuin-A通过胎盘注射进入肝脏后，HSPCs的基因组稳定性显著增强，由此证明肝细胞通过分泌fetuin-A保护HSPC的基因组。
进一步研究发现，fetuin-A结合到HSPC表面的TLR4受体，激活TLR4-MYD88-bZIP通路，上调核酸解旋酶BLM的表达，通过解除HSPCs因复制转录冲突产生的R-loop结构，维持HSPCs的基因组稳定性。通过R loop测序分析发现，R loop主要富集在造血调控和白血病突变常累及的基因上。Fetua敲除后，这些基因上的R loop水平显著增高，敲除小鼠对白血病明显易感。
同样的保护机制，在人类胎肝中得到验证；并且，在胎肝发育的早期（前三个月）此保护机制同样缺乏，HSPCs对基因毒物损伤非常敏感。进一步检测婴儿患者骨髓血血清中fetuin-A浓度，发现白血病组明显低于良性组，证明低浓度fetuin-A与儿童白血病的发生密切相关。
综上所述，他们首次揭示了胚胎发育组织保护其干细胞基因组的机制，并证明该机制与发育疾病（如儿童肿瘤）的发生密切相关（如图1）。本科研成果将为进一步研究发育疾病的发病学和预防医学提供重要的理论和实验指导。基于所揭示机制，研究人员可以开发预测和预防儿童白血病发生的试剂盒和药品。
图1：珊瑚礁（胎肝）为鱼类（造血干祖细胞）提供了良好的栖息地，以抵御鲨鱼（基因毒物）的攻击。当珊瑚（肝细胞）数量较少时（胎肝发育早期），珊瑚礁的保护作用不足，鲨鱼会对鱼类构成威胁（儿童白血病发生）。
上海交大基础医学院助理研究员郭晓林博士、博士研究生王一丁和刘彦君为论文的共同第一作者，洪登礼研究员为论文的通讯作者。同济大学附属同济医院妇产科李怀芳主任和初磊博士、上海交大医学院附属上海儿童医学中心朱华博士、武汉大学李国红教授、伦敦大学学院Tariq Enver教授、北京大学白凡教授、武汉大学陈亮教授、上海交通大学医学院陈国强院士、上海交大医学院陈磊教授、中国科学院惠利健教授，复旦大学徐国良院士，对研究给予了指导、合作和支持。
本研究得到了国自然重点项目，国自然国际合作重点项目，国自然联合基金重点项目、上海高水平地方高校创新团队等项目资助。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08307-x
参考文献
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3 Saxena, S. & Zou, L. Hallmarks of DNA replication stress. Mol Cell 82, 2298-2314, (2022).
4 Gao, S. et al. Identification of HSC/MPP expansion units in fetal liver by single-cell spatiotemporal transcriptomics. Cell Research 32, 38-53, (2021).
5 Zheng, Z. et al. Uncovering the emergence of HSCs in the human fetal bone marrow by single-cell RNA-seq analysis. Cell Stem Cell 29, 1562-1579, (2022).
编辑 | 余 荷
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