単細胞解析と機械学習により、ヒト造血幹細胞由来の造血前駆細胞と造血幹細胞様細胞を定義しています

Single cell analyses and machine learning define hematopoietic progenitor and HSC-like cells derived from human PSCs.

• Antonella Fidanza
• Patrick Simon Stumpf
• Prakash Ramachandran
• Sara Tamagno
• Ann Babtie
• Martha Lopez-Yrigoyen
• Alice Helen Taylor
• Jennifer Easterbrook
• Beth Henderson
• Richard Axton
• Neil Cowan Henderson
• Alexander Medvinsky
• Katrin Ottersbach
• Nicola Romanò
• Lesley M Forrester

抄録

造血幹細胞および前駆細胞（HSPC）は、胚発生の過程で様々な解剖学的部位で異なる波を経て発生します。ヒト多能性幹細胞（hPSCs）のin vitro分化は、これらのプロセスの一部を再現することができますが、機能的な造血幹細胞（HSC）を生成することは困難であることが証明されています。hPSCからin vitroで生成可能なHSPCの動態と不均一性を定義するために、我々はシングルセルRNAシークエンス（scRNAseq）とシングルセルタンパク質発現解析を組み合わせて利用しました。バイオインフォマティクス解析と機能検証により、ナイーブ前駆細胞、赤血球、巨核球、白血球にコミットした前駆細胞のトランスクリプトームを定義し、これらの前駆細胞のマーカーとしてそれぞれCD44、CD326、ICAM2/CD9、CD18を同定した。ヒト胎児肝由来のscRNAseq上で訓練した人工ニューラルネットワーク（ANN）を用いて、hPSC由来のHPSC表現型を幅広く同定することができ、その中には造血幹細胞に分類される小集団も含まれていた。この一過性の造血幹細胞様集団は、分化が進むにつれて減少し、CD43発現に基づいて選択された細胞を用いて生成されたデータセットでは完全に欠落していた。インビトロで生成された造血幹細胞様細胞の単細胞トランスクリプトームを胎児肝内で生成されたものと比較することにより、我々は、造血幹細胞のインビトロ生産を改善するために将来的に利用できる転写因子と分子経路を同定した。

Haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) develop through distinct waves at various anatomical sites during embryonic development. The in vitro differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) is able to recapitulate some of these processes, however, it has proven difficult to generate functional haematopoietic stem cells (HSCs). To define the dynamics and heterogeneity of HSPCs that can be generated in vitro from hPSCs, we exploited single cell RNA sequencing (scRNAseq) in combination with single cell protein expression analysis. Bioinformatics analyses and functional validation defined the transcriptomes of naïve progenitors as well as erythroid, megakaryocyte and leukocyte-committed progenitors and we identified CD44, CD326, ICAM2/CD9 and CD18 as markers of these progenitors, respectively. Using an artificial neural network (ANN), that we trained on a scRNAseq derived from human fetal liver, we were able to identify a wide range of hPSCs-derived HPSC phenotypes, including a small group classified as HSCs. This transient HSC-like population decreased as differentiation proceeded and was completely missing in the dataset that had been generated using cells selected on the basis of CD43expression. By comparing the single cell transcriptome of in vitro-generated HSC-like cells with those generated within the fetal liver we identified transcription factors and molecular pathways that can be exploited in the future to improve the in vitro production of HSCs.

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