摘要：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
点评丨刘兵（解放军总医院）、张一帆/刘峰（山东大学/中科院动物所）、朱卫国（深圳大学医学部）
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。
2024年12月4日，上海交通大学医学院洪登礼教授团队在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。Fetuin-A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。Fetuin-A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。
综上所述，该研究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（如下图）。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。
郭晓林博士、王一丁博士和刘彦君博士为论文的共同第一作者，洪登礼教授为论文的通讯作者。
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专家点评
刘兵（解放军总医院）
胚胎发育阶段，高度增殖的细胞依赖于特定基因的转录调控及正常的细胞功能，以维持基因组的完整和稳定。胎肝是胚胎造血活动的重要场所之一，因其具有复杂独特的细胞构成及微环境因子组分，对于维系造血干祖细胞（HSPC）的快速扩增及多向分化至关重要。然而，胎肝组织或微环境如何维持HSPC基因组稳定及潜在机制尚未明晰。
近日，上海交通大学洪登礼教授团队围绕这一关键科学问题取得了重要突破。该团队利用谱系示踪、基因敲除小鼠模型并结合多个组学技术系统揭示了胎肝发育时期肝实质细胞通过分泌胎球蛋白A（fetuin-A）以维持HSPC基因组稳定的重要功能及全新机制。研究首先发现，在早期胎肝中，新生HSPC极易受到致突变因素的影响。伴随着胎肝发育及肝实质细胞数量增多，HSPC对于基因毒剂的损伤易感性显著降低，提示肝实质细胞可能发挥保护功能。进一步的研究表明，肝实质细胞通过旁分泌fetuin-A能够显著保护胎肝HSPC免受基因组损伤。机制上，HSPC增殖时基因组内部因复制转录冲突而产生R-loop结构，并引起基因组不稳定。fetuin-A则能通过激活HSPC中TLR4-MYD88-bZIP信号，从而抑制R-loop结构的产生。研究还发现上述保护机制在人类胎肝发育中保守。
有意思的是，研究还发现胎肝HSPC基因组损伤后呈现出异常增殖及白血病样病变倾向，这是由于R-loop中富集了多个白血病突变累及和造血调控基因。临床样本也发现儿童白血病血清中fetuin-A浓度显著降低，提示该机制在儿童白血病发生中的作用。总之，该研究揭示了胎肝细胞调控HSPC基因组稳定性的全新机制，并为干预儿童白血病发生提供了潜在干预靶点。未来临床转化意义包括但不限于：探索这一机制在其他发育器官或组织中的普适性；寻找fetuin-A或其他相关通路的药物替代品，以期预防儿童癌症等与发育密切关联的疾病的发生。
专家点评
张一帆/刘峰（山东大学/中科院动物所）
基因组稳定性对于胚胎发育和成体稳态维持至关重要，基因组失稳通常是衰老和肿瘤发生的诱因之一。在快速增殖的细胞中，DNA复制和基因转录的冲突是导致基因组不稳定的一个重要原因。因此，增殖活跃的细胞是研究基因组稳定性维持机制的一种理想模型。在哺乳动物造血干/祖细胞发育过程中，造血干/祖细胞在主动脉-性腺-中肾产生以后，迁移到胎肝进行成熟、扩增，最终定植到骨髓维持终身造血。然而，在胎肝中快速增殖的造血干细胞是如何维持自身的基因组稳定性并不清楚。洪登礼教授课题组长期从事儿童白血病的起源和调控机制的研究，他们团队以及国际上其他团队过往一系列工作证明胎肝定植的造血干/祖细胞是婴幼儿白血病的关键起源细胞。综合上述背景知识和研究基础，阐明胎肝造血干/祖细胞基因组稳定性的维持机制是一项兼具基础和转化应用价值的研究。
洪登礼团队的最新发表的nature文章独辟蹊径的聚焦胎肝造血干/祖细胞基因组稳定性维持的外源微环境机制，突破性地阐释了肝细胞对造血干/祖细胞基因组的时期特异性保护机制。具体来说，当造血干/祖细胞刚进入一个全新的微环境（早期胎肝），其对于基因组毒性刺激最为敏感；进一步的细胞学和分子学机制解析表明早期肝细胞发育滞后会导致造血干/祖细胞缺少外源性保护因素，即肝细胞分泌的FetuA，该因子被造血干/祖细胞表面的TLR4识别并逐级转导激活转录因子bZIP及其下游解旋酶编码基因，最终依靠解旋酶清除“转录复制冲突”产生的R-loop以维持造血干/祖细胞基因组稳定性。该工作为我们理解胎肝作为哺乳动物造血干/祖细胞发育临时场所的独特性提供了详尽的机制解释；更为重要的是，该工作的主要发现也在婴幼儿白血病小鼠模型和患者中得到了很好的印证。这一成果贯通了“细胞发育”和“肿瘤发生”研究，找到了“正常干细胞”向“肿瘤干细胞”恶性转变的早期开关，从而为婴幼儿白血病的胚胎起源提供了新的线索。
专家点评
朱卫国（深圳大学医学部）
已经有许多研究表明，儿童肿瘤多是出生前起源；起始突变发生在胚胎发育时期，是发育相关性疾病。儿童肿瘤以白血病（造血系统恶性疾病）最为常见，其次是神经系统肿瘤。但是，这些系统的胚胎发育有什么特征，使得组织干细胞的基因组不稳定，形成突变，启动恶性疾病的发生，至今尚不清楚。上海交通大学医学院的洪登礼教授课题组，与武汉大学李国红教授等合作，以造血系统发育为研究模型，率先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。
他们研究发现，在胎肝（胎儿最主要的造血组织）发育的早期，造血干祖细胞的基因组最不稳定，因为得不到肝细胞分泌因子的有效保护，对基因毒物敏感，易启动白血病的发生。进一步研究发现，造血干祖细胞从胎盘迁移至胎肝，从静止状态迅速进入细胞周期，进行增殖和造血；在进行DNA复制的同时，造血调控基因也活跃转录，二者同时发生，产生大量的R-loop结构，导致基因组不稳定。直到胎肝发育的中后期，待肝细胞分泌充足的保护因子Fetuin-A，促进造血干祖细胞合成核酸解旋酶BLM1，解除R-loop，造血细胞的基因组才变得稳定。胎肝发育的早期，Fetuin-A的缺乏，可以进行预防性补充，有望预防儿童白血病的发生。
总之，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。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；基于所揭示的机制，可以研发预测和预防儿童白血病发生的试剂盒或药品。
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参考文献
1 Aguilera, A. & Garcia-Muse, T. Causes of genome instability.Annu Rev Genet47, 1-32, (2013).
2 Gaillard, H. & Aguilera, A. Transcription as a Threat to Genome Integrity.Annu Rev Biochem85, 291-317, (2016).
3 Saxena, S. & Zou, L. Hallmarks of DNA replication stress.Mol Cell82, 2298-2314, (2022).
4 Gao, S. et al. Identification of HSC/MPP expansion units in fetal liver by single-cell spatiotemporal transcriptomics.Cell Research32, 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 Cell29, 1562-1579, (2022).
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来源：小方的科学世界