Fetal hepatocytes protect the HSPC genome via fetuin-A
摘要
在胚胎发育阶段，维持快速增殖细胞的基因组完整性面临巨大挑战。尽管细胞内在机制已被广泛研究，但发育组织微环境对组织形成细胞基因组的保护作用尚不清楚。本研究揭示了胎儿肝细胞对造血干细胞和祖细胞（HSPC）基因组的保护机制。通过小鼠模型的谱系追踪和细胞耗竭实验，我们发现早期胎儿肝脏中肝细胞发育延迟会导致新定植的HSPCs染色体不稳定性增加。此外，HSPCs在肝细胞条件培养基中对基因毒素产生耐受性，表明肝细胞以旁分泌方式保护HSPC基因组。蛋白质组学分析显示，胎儿蛋白A（FetuA）在肝细胞条件培养基中富集，其通过激活Toll样受体通路，防止HSPCs在胎儿肝脏中进行DNA复制和基因转录时致病性R环的积累。在Fetua基因敲除小鼠中，HSPCs表现出更高的基因组不稳定性和对恶性肿瘤诱导的易感性。此外，低浓度的FetuA与儿童白血病的癌变有关。本研究揭示了发育组织中一种保护组织形成细胞基因组的机制，并指出其与发育相关疾病存在关联。
研究背景
胚胎发育过程中，三个生发层的细胞广泛增殖，形成多种功能细胞类型。维持基因组完整性是发育稳态的关键，尤其是在DNA复制和细胞活动过程中。尽管细胞内在机制已被广泛研究，但对于组织微环境如何保护组织形成细胞免受内源性（如代谢）或外源性基因毒性物质引起的DNA损伤和基因组不稳定，目前知之甚少。本研究聚焦于胎儿肝脏这一造血和肝发生的主要部位，探讨肝细胞在HSPC基因组保护中的作用。
研究方法与结果
HSPC基因组在早期胎儿肝脏中不稳定
通过从不同发育阶段的小鼠胎盘、胎儿肝脏和围产期骨髓中收集HSPCs，并对其进行基因毒性药物处理，我们发现早期胎儿肝脏中的HSPCs对DNA损伤表现出更高的敏感性。DNA彗星实验和γ-H2AX免疫荧光检测均显示，早期胎儿肝脏HSPCs的DNA损伤程度高于其他组织。此外，通过离体紫外线诱导DNA断裂实验，也证实了早期胎儿肝脏HSPCs对基因毒素的敏感性更高。这些结果表明，当HSPCs从胎盘迁移到胎儿肝脏时，其基因组脆弱性发生了显著变化。
HSPCs在早期胎儿肝脏中缺乏肝细胞庇护
利用Alb-Cre;ROSA26-LSL-tdTomato小鼠模型进行谱系追踪，我们观察到早期胎儿肝脏中HSPCs数量占多数，而肝细胞数量较少。随着发育进程，HSPCs数量逐渐减少，被扩大的肝细胞所包围。基于这一现象，我们假设肝细胞对维持HSPC基因组稳定性至关重要。通过Alb-Cre;ROSA26-LSL-DTA小鼠模型操纵肝细胞发育，发现肝细胞数量减少的小鼠中，HSPCs对基因毒素的敏感性显著增加。这表明肝细胞在保护HSPCs免受遗传毒性损伤方面发挥关键作用。
肝细胞分泌保护性FetuA
为了直接检测肝细胞对HSPC基因组保护的作用，我们将E12.5胎肝HSPCs与肝细胞共培养，发现肝细胞能够显著降低HSPCs在基因毒性药物处理下的DNA损伤。进一步通过Transwell系统实验，证实这种保护作用是通过肝细胞分泌的因子实现的。蛋白质组学分析显示，FetuA在肝细胞条件培养基中富集，且在早期胎儿肝脏中不富集。通过重组FetuA处理HSPCs，发现其能够增强HSPCs对基因毒素的耐受性。此外，在FetuA基因敲除小鼠中，HSPCs对基因毒素的敏感性显著增加，进一步证实了FetuA在HSPC基因组保护中的关键作用。
FetuA激活TLR4减少R环
FetuA通过与Toll样受体4（TLR4）结合发挥其保护作用。使用TLR4中和抗体能够抵消FetuA对HSPC基因组的保护作用。免疫荧光实验显示，FetuA与TLR4在HSPCs表面共定位。进一步的生化实验表明，FetuA处理能够激活TLR4-MYD88-bZIP通路，增加解旋酶Blm等基因的表达，从而减少R环的积累。R环的积累是早期胎儿肝脏HSPCs染色体脆性增加的一个重要因素。通过特异性抑制剂ML216抑制BLM解旋酶的活性，能够逆转FetuA对R环的去除作用和对HSPC基因组的保护作用。这些结果表明，FetuA通过激活TLR4-bZIP-BLM级联反应，防止R环积累，从而保护HSPC基因组。
缺乏FetuA会导致白血病的发生
全基因组R环测序和全基因组测序显示，FetuA基因敲除小鼠的HSPCs中R环积累和突变数量显著增加，且这些突变与白血病的发生密切相关。在FetuA基因敲除小鼠中，白血病的诱导潜伏期明显短于野生型小鼠。此外，白血病患儿骨髓血清中FetuA的浓度明显低于非白血病患儿，表明缺乏FetuA保护是儿童白血病的危险因素。
讨论
本研究揭示了胎儿肝脏中一种重要的基因组保护机制：肝细胞通过旁分泌FetuA，激活TLR4-bZIP-BLM级联反应，防止R环积累，从而保护HSPC基因组。这种保护机制在早期胎儿肝脏中由于肝细胞发育迟缓而缺失，导致新定植的HSPCs在缺乏保护的环境中暴露于基因毒性损伤，增加了基因组不稳定性和白血病发生的易感性。这一发现不仅为理解胚胎发育过程中基因组保护机制提供了新的视角，还为预防和治疗儿童白血病等发育相关疾病提供了潜在的靶点。未来的研究将进一步探索这种机制在其他发育器官或组织中的普遍性，并筛选FetuA的可药物替代品或其激活途径的激动剂，以开发预防发育相关疾病的新方法。
| 名称 | 货号 | 规格 |
| Anti-JunB antibody [EPR6518] | ab128878-1ml | 1ml |
| Anti-Laminin antibody | ab11575-125ul | 125ul |
| Anti-CD34 antibody [EP373Y] | ab81289-1ml | 1ml |
| QIAamp DNA Mini Kit (50) | 51304 | 50Test |
