Science：新研究揭示DNA重复元件阻断造血干细胞吞噬机制

造血干细胞和祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cell, HSPC）一生都在制造成熟的血细胞。在此过程中，造血干细胞与骨髓壁龛中的多种细胞（包括巨噬细胞）相互作用。这些巨噬细胞通过释放细胞因子和趋化因子以及巡逻来清除遭受应激、死亡或老化的细胞，从而介导一系列过程。通过这种方式，巨噬细胞为维持组织稳态做出了贡献。

在造血过程中，巨噬细胞确保正常造血干细胞的质量，并决定参与成体造血的造血克隆的数量。然后，巨噬细胞要么完全吞噬干细胞（称为“吞噬”），要么捕获干细胞的部分细胞物质（称为 “梳理”）。梳理后的干细胞继续分裂，而注定死亡的 HSPC 克隆则被清除。

过去的研究表明，HSPC与巨噬细胞的相互作用是由HSPC表面的“吃我”信号——钙网蛋白（calreticulin, Calr）介导的。活性氧（ROS）水平较高的造血干细胞表面Calr水平会升高，这会触发巨噬细胞吞噬并杀死含有大量应激激活蛋白的干细胞。然而，调节“吞噬”与 “梳理”行为的具体分子线索仍然未知。

在一项新的研究中，为了研究介导吞噬与梳理行为的线索，来自波士顿儿童医院和哈佛大学等研究机构的研究人员在人体细胞中筛选了 1200 种生物活性小分子，发现 93 种化合物能以剂量依赖的方式显著增加表面 CALR。在这些化合物中，22 种在斑马鱼中还促进了巨噬细胞与干细胞之间的相互作用。

依赖 ROS 增加 CALR 的化合物表现出更高的吞噬率，相反，用不依赖 ROS 的化合物处理的斑马鱼，尽管 CALR 增加，巨噬细胞与干细胞的相互作用增加，但发生梳理事件的概率更高。为了研究在不依赖 ROS 的条件下参与相互作用的信号，研究者在人类细胞中进行了一次全基因组筛选。他们发现 Toll 样受体 3 (TLR3) 是“别吃我”情况下的 CALR 诱导因子。

接着，研究者发现 TLR3 的表达是“别吃我”信号β2-微球蛋白（beta-2-microglobulin, B2M）表达所必需的。抗体染色和b2m基因敲除斑马鱼品系的研究表明，干细胞表面上的 b2m 是防止巨噬细胞吞噬所必需的。为了确定在b2m突变体中观察到的吞噬增加是否会影响克隆优势，他们利用斑马鱼彩色条形码系统（TWISTR）作为系谱追踪器，产生了镶嵌缺失。b2m的镶嵌缺失减少了骨髓克隆的数量，但增加了克隆优势。这些斑马鱼体内的优势克隆是野生型的b2m，它们对巨噬细胞吞噬具有抵抗力。TLR3 信号由双链 RNA 激活；由于与重复元件（RE）相关的转录本（包括长末端重复序列（LTR）和内源性逆转录病毒）的表达，有时会在细胞中发现双链 RNA。

HSPC中重复元件的表达与B2m水平的升高呈正相关。此外，在斑马鱼中过表达ltr4会导致更高的HSPC增殖，这表明巨噬细胞吞噬减少。通过干扰 TLR3、IRF3 或 B2M 的表达来破坏 TLR3-B2M 通路，可减少斑马鱼血细胞克隆的数量。使用 DNA 甲基转移酶抑制剂 CM272 来促进重复元件的上调，可扩大斑马鱼胚胎中已建立的 HSPC 克隆的增殖。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adn1629

综上所述，这些研究结果支持这样一种模式，即内源性TLR3配体导致b2m的表达，从而阻断巨噬细胞诱导的吞噬，并通过用巨噬细胞监测干细胞质量来确定造血干细胞的克隆性。Calr和B2m的平衡通过巨噬细胞介导的质量保证，控制着长寿命造血干细胞克隆的数量，从而为成体血液系统做出贡献。这揭示了HSPC克隆扩增与免疫调节细胞清除之间错综复杂的相互作用。研究者提出，这种保护机制也可能在成年期应对环境应激时发挥作用，例如在感染或克隆干细胞失调时。操纵“别吃我”和“吃我”信号的水平，可能对利用巨噬细胞选择性清除突变干细胞克隆的免疫疗法具有重要的治疗意义。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Cecilia Pessoa Rodrigues et al. Transcripts of repetitive DNA elements signal to block phagocytosis of hematopoietic stem cells. Science, 2024, doi:10.1126/science.adn1629.