刘澎涛博士：单细胞RNA-seq解析干细胞异质性

　　

生物通报道：最近，在国际著名学术期刊《Genome Biology》发表的一项研究中，来自英国威康信托基金会桑格研究所、剑桥大学、上海交通大学等处的研究人员，采用单细胞转录组分析来解析造血干细胞（HSCs）的分子异质性。这项研究论证了单细胞转录学用于解析干细胞区室中的细胞过程和谱系异构性的效用。延伸阅读：减少单细胞分析不确定性的新方法。

英国威康信托基金会桑格研究所资深研究员刘澎涛（Pentao Liu）博士是这篇文章的资深作者。刘博士早年毕业于河南师范大学，1998年博士毕业于美国贝勒医学院，之后在马里兰州弗雷德里克国家癌症研究所工作。2003年加盟英国威康信托基金会桑格研究所研究员，2010年晋升为资深研究员和课题组长，2011年起在剑桥大学干细胞研究所兼职。2005年至今担任过包括辉瑞在内多家生物医药公司之科学顾问，擅长化学基因组研究，先后发表学术论文70多篇。上海交通大学医学院上海市免疫学研究所的路丽明博士也是本文共同作者之一。

造血干细胞（HSCs）是一种罕见的细胞类型，具有长期自我更新的能力和重建所有细胞系的多潜能性。HSCs通常是用细胞表面标记从骨髓纯化而来。近年来的研究发现，表现出谱系偏好的一小部分HSCs的细胞区室，有显著的细胞异质性。该研究小组之前发现，转录因子Bcl11a在HSC区室的淋巴发育中，发挥关键的功能。

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在这项研究中，研究人员采用单细胞转录组分析，解析造血干细胞的分子异质性。研究人员分析了180个高度纯化的造血干细胞（Bcl11a+/+ and Bcl11a−/−）的转录组。RNA-seq数据的详细分析，将细胞周期活动确定为HSC区室转录组变异的主要来源，它可让我们用电脑重现HSC细胞的周期进程。

Bcl11a−/− HSCs的单细胞RNA-seq分析，显示出异常增殖的表型。谱系基因的表达分析表明，BCL11A−/−造血干细胞是由两个不同的myeloerythroid-restricted亚群组成。值得注意的是，类似的myeloid-restricted细胞也可以在野生型HSC区室中检测到，从而表明Bcl11a缺失后具有淋巴功能的HSCs选择性的消除。这些缺陷在一系列移植实验中得以实验性地验证，在这些实验中，Bcl11a−/− HSCs造血干细胞是myeloerythroid受限的，并且自我更新能力有缺陷。

这项研究论证了单细胞转录组用于解析干细胞隔室细胞过程和家系非异质性的能力，并进一步揭示了Bcl11a-deficient HSC隔室中的分子和细胞缺陷。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Single-cell transcriptomic reconstruction reveals cell cycle and multi-lineage differentiation defects in Bcl11a-deficient hematopoietic stem cells
Abstract
Background
Hematopoietic stem cells (HSCs) are a rare cell type with the ability of long-term self-renewal and multipotency to reconstitute all blood lineages. HSCs are typically purified from the bone marrow using cell surface markers. Recent studies have identified significant cellular heterogeneities in the HSC compartment with subsets of HSCs displaying lineage bias. We previously discovered that the transcription factor Bcl11a has critical functions in the lymphoid development of the HSC compartment.

Results
In this report, we employ single-cell transcriptomic analysis to dissect the molecular heterogeneities in HSCs. We profile the transcriptomes of 180 highly purified HSCs (Bcl11a+/+ and Bcl11a−/− ). Detailed analysis of the RNA-seq data identifies cell cycle activity as the major source of transcriptomic variation in the HSC compartment, which allows reconstruction of HSC cell cycle progression in silico. Single-cell RNA-seq profiling of Bcl11a−/− HSCs reveals abnormal proliferative phenotypes. Analysis of lineage gene expression suggests that the Bcl11a−/− HSCs are constituted of two distinct myeloerythroid-restricted subpopulations. Remarkably, similar myeloid-restricted cells could also be detected in the wild-type HSC compartment, suggesting selective elimination of lymphoid-competent HSCs after Bcl11a deletion. These defects are experimentally validated in serial transplantation experiments where Bcl11a−/− HSCs are myeloerythroid-restricted and defective in self-renewal.

Conclusions
Our study demonstrates the power of single-cell transcriptomics in dissecting cellular process and lineage heterogeneities in stem cell compartments, and further reveals the molecular and cellular defects in the Bcl11a-deficient HSC compartment.