张译月组与张文清组合作发现斑马鱼slc20a1b基因影响造血干/祖细胞发育

作者：luojiao 发布时间：2021/4/2 1:00:00

撰文 | 李高飞

造血干/祖细胞包括造血干细胞及几种存在谱系偏向性的造血祖细胞，它们能够为成年的生物个体提供所有的血细胞类型。其中，造血干细胞具备自我更新及多谱系分化的能力，能够在急性条件下产生及时的应答[1]；而多种造血祖细胞则能够在稳态造血中保持血细胞的供给[2]。因此，造血干/祖细胞是血液系统的核心，一旦它们的稳态被破坏，将导致严重的血液疾病甚至死亡，而围绕造血干/祖细胞的研究能够为理论研究和临床治疗提供有力的支撑。

为了研究造血系统的发育，研究者们常常使用斑马鱼作为实验对象，它具备生长周期短、产卵量大、胚胎体外受精且透明、易于进行基因编辑等优势，是发育生物学的理想模型。此外，斑马鱼的造血系统与人类高度类似[3]，这种保守型也是应用斑马鱼进行造血研究的基础。

2021年3月16日，华南理工大学张译月课题组与张文清课题组联合在SCIENCE CHINA Life Sciences上在线发表题为“Slc20a1b is essential for hematopoietic stem/progenitor cell expansion in zebrafish”的研究论文，揭示了斑马鱼slc20a1b基因的点突变会导致造血干/祖细胞的增殖能力严重下降，从而导致造血发育的急剧受损。

在2012年，两个课题组合作开展的斑马鱼的正向遗传学筛选，通过化合物ENU对斑马鱼诱导随机基因突变，获得了一系列的存在造血缺陷的斑马鱼突变体[4]。在本研究中，作者基于ENU诱变获得的smu07突变体，造血缺陷表型鉴定发现该突变体的红系、髓系及淋系造血均存在缺陷，提示其更上游的造血干/祖细胞可能已经受损。进一步的探究发现，突变体的造血干/祖细胞在起始阶段能够正常产生，但是随后却不能持续扩增，以致其造血干/祖细胞数目显著低于正常斑马鱼（图1）。

图1 smu07突变体的造血干/祖细胞存在扩增缺陷

作者对该突变体的基因突变进行了定位，并确认该突变体的致变基因为slc20a1b，该基因发生了一个DNA单碱基突变，使其蛋白发生一个单氨基酸突变（D48E）。借助CRISPR-Cas9技术，作者构建了slc20a1b突变体，该突变体与smu07突变体表型一致，验证了致变基因的确是slc20a1b。

由于slc20a1b是一个广泛表达的基因，作者进一步探究是否是造血干/祖细胞的基因突变导致其表型，还是其环境中的其他细胞起主导作用。通过正反向移植实验，作者发现突变型的造血干/祖细胞无法在正常环境中扩增，而野生型的造血干/祖细胞则能够在突变型环境中扩增。这一结果证明了是造血干/祖细胞自主性缺失slc20a1b基因导致其缺陷。

最后，作者对造血干/祖细胞的机制展开了探究，发现slc20a1b基因突变的造血干/祖细胞的细胞死亡情况不变，而是其增殖能力的缺陷致使造血干/祖细胞无法扩增。突变型的造血干/祖细胞，其细胞周期被阻滞在了G2/M期，无法完成正常的增殖周期。

综上所述，slc20a1b基因突变的造血干/祖细胞会发生细胞自主性的缺陷，缺陷表现为细胞周期阻滞导致增殖能力下降（图2），从而致使造血干/祖细胞严重不足，而所有造血谱系均发生严重缺陷。

图2 本研究主要内容示意图

该研究首次报道了slc20a1b基因在造血干/祖细胞中扮演的重要角色，揭示了造血干/祖细胞细胞周期的新调控基因。

南方医科大学博士生陈家奎及华南理工大学李高飞博士为该论文的共同第一作者，华南理工大学张译月教授及张文清教授为该论文的共同通讯作者。该论文的其他作者还包括华南理工大学连俊玮博士、黄志斌博士、李健潮教授，南方医科大学马宁博士，及香港科技大学温子龙教授。

参考文献：

1. S.H. Orkin, L.I. Zon, Hematopoiesis: anevolving paradigm for stem cell biology., Cell. 132 (2008) 631–644.

2. K. Busch, K. Klapproth, M. Barile, M.Flossdorf, T. Holland-Letz, S.M. Schlenner, M. Reth, T. Hofer, H.-R. Rodewald,Fundamental properties of unperturbed haematopoiesis from stem cells in vivo.,Nature. 518 (2015) 542–546.

3. B. Bajoghli, N. Aghaallaei, I. Hess, I.Rode, N. Netuschil, B.-H. Tay, B. Venkatesh, J.-K. Yu, S.L. Kaltenbach, N.D.Holland, D. Diekhoff, C. Happe, M. Schorpp, T. Boehm, Evolution of genetic networks underlying the emergence of thymopoiesis in vertebrates., Cell. 138(2009) 186–197.

4. K. Wang, Z. Huang, L. Zhao, W. Liu, X.Chen, P. Meng, Q. Lin, Y. Chi, M. Xu, N. Ma, Y. Zhang, W. Zhang, Large-scale forward genetic screening analysis of development of hematopoiesis in zebrafish., J. Genet. Genomics. 39 (2012) 473–480.

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