Caractéristiques globales et analyse transcriptomique de l’érythropoïèse terminale dans le foie fœtal humain

Contexte et problématique

L’érythropoïèse est le processus de production des globules rouges. Initialement, l’érythropoïèse “primitive” se produit dans le sac vitellin, puis est progressivement remplacée par l’érythropoïèse “terminale” dans le foie fœtal (FF) et la moelle osseuse (MO) après la naissance. Pendant le développement du fœtus humain, le FF est l’organe clé de l’érythropoïèse, mais nos connaissances actuelles sur l’érythropoïèse dans le FF humain sont très limitées. L’objectif de cette étude est d’analyser de manière globale les caractéristiques et le transcriptome de l’érythropoïèse terminale dans le foie fœtal humain, d’explorer les modèles d’expression génique au cours de l’érythropoïèse, et de mieux comprendre l’impact des systèmes de culture sur l’expression des gènes.

Source de l’étude

Cette étude a été réalisée conjointement par Yongshuai Han, Shihui Wang, Yaomei Wang, Yumin Huang, Chengjie Gao, Xinhua Guo, Lixiang Chen, Huizhi Zhao, et Xiuli An. Les institutions impliquées comprennent l’École des Sciences de la Vie de l’Université de Zhengzhou en Chine, le Laboratoire de Biologie Membranaire du New York Blood Center, le Département d’Hématologie de l’Hôpital du Peuple de l’Université de Zhengzhou, le Département d’Hématologie de l’Hôpital du Cancer affilié à l’Université de Zhengzhou et le Département d’Hématologie du Premier Hôpital affilié à l’Université de Zhengzhou. L’article a été publié le 30 août 2023 dans la revue Genomics, Proteomics & Bioinformatics.

Processus détaillé de la recherche

1. Sujets et méthodes expérimentales :
   • Principaux sujets expérimentaux : Cellules du foie fœtal humain.
   • Isolation des érythrocytes et séquençage de l’ARN : Isolation des érythrocytes primaires à différents stades de développement en utilisant des marqueurs de surface, analyse de l’expression génique par séquençage de l’ARN (RNA-seq).
   • Érythropoïèse dans les systèmes de culture : Culture in vitro des cellules CD34+ du FF, comparaison des transcriptomes des érythrocytes primaires et cultivés par RNA-seq.
   • Établissement de lignées érythrocytaires immortalisées : Immortalisation des lignées érythrocytaires à partir de cellules CD34+ du FF et du sang de cordon (SC), analyse phénotypique et transcriptomique.
2. Isolation des érythrocytes du foie fœtal humain :
   • Utilisation d’un système de culture érythrocytaire en trois phases et développement d’une méthode de séparation par cytométrie en flux utilisant le glycophorine A, la bande 3 et l’intégrine α4 comme marqueurs de surface pour isoler avec succès les populations érythrocytaires à différents stades de développement.
3. Analyse RNA-seq et modèles d’expression génique :
   • Analyse transcriptomique complète des érythrocytes FF isolés, révélant une diminution progressive de l’expression génique du stade proérythroblaste au stade orthochromatique, avec des changements significatifs.
   • L’analyse par clusters et l’enrichissement en ontologie génique (GO) ont identifié des gènes dont l’expression augmente dans les processus de dégradation des protéines et d’autophagie, suggérant un rôle important de ces voies dans l’énucléation des érythrocytes.
4. Caractéristiques du système de culture in vitro et optimisation du procédé :
   • Culture des cellules CD34+ du FF dans un système de culture en trois phases, observation d’une expansion significative du nombre de cellules en 15 jours.
   • L’analyse des caractéristiques d’expression a révélé que le modèle d’érythropoïèse in vitro du FF est plus proche de l’érythropoïèse du SC, avec une capacité d’énucléation relativement faible.
5. Établissement et analyse de lignées érythrocytaires immortalisées :
   • Immortalisation des cellules CD34+ du FF et du SC en utilisant le système HPV-E6/E7, obtention des lignées cellulaires FL-iERY et CB-iERY, l’analyse phénotypique et le RNA-seq ont montré que l’immortalisation se produit principalement au stade proérythroblaste.
   • Les lignées érythrocytaires immortalisées peuvent subir une différenciation érythrocytaire terminale, mais avec une faible capacité d’énucléation. La comparaison des données transcriptomiques sur la capacité d’énucléation de différentes lignées érythrocytaires a montré une expression significativement réduite des gènes liés à l’organisation chromosomique et à l’autophagie mitochondriale dans les érythrocytes incapables d’énucléation.
6. Analyse des résultats et découvertes importantes :
   • Par rapport aux érythrocytes primaires, les érythrocytes cultivés in vitro présentent une régulation positive des gènes liés au métabolisme lipidique, indiquant des besoins énergétiques plus élevés dans le système de culture.
   • Les lignées érythrocytaires immortalisées ont une valeur de recherche importante pour l’étude de l’érythropoïèse terminale. L’analyse de l’expression différentielle de l’hémoglobine et de ses facteurs de régulation montre le potentiel d’application des lignées érythrocytaires immortalisées dans l’étude de la conversion de l’hémoglobine de type α.

Résultats et conclusions

Cette étude a révélé de nouveaux mécanismes de l’érythropoïèse dans le foie fœtal humain grâce à une analyse transcriptomique complète. Comparés à la culture in vitro, les érythrocytes primaires ont montré plus de différences dans l’expression génique au cours de l’érythropoïèse. Grâce aux techniques d’isolation des érythrocytes et de tri cellulaire en flux à double cellule, cette étude a pu distinguer l’expression génique à différents stades de développement de l’érythropoïèse, révélant ainsi les voies biologiques clés de l’érythropoïèse terminale.

Les lignées cellulaires érythrocytaires immortalisées établies ont un potentiel d’application important dans l’étude de l’érythropoïèse terminale, en particulier dans des domaines tels que la conversion de l’hémoglobine. En comparant l’expression génique des érythrocytes de différentes sources lors de l’énucléation, il a été constaté que des défauts dans la régulation de l’expression des gènes liés à l’organisation chromosomique et à l’autophagie mitochondriale sont les principaux mécanismes empêchant l’énucléation des érythrocytes.

Valeur et points forts de la recherche

Les points forts de cette étude incluent la proposition de modèles d’expression génique clés dans le processus d’érythropoïèse du foie fœtal humain, la démonstration de l’impact des systèmes de culture sur l’érythropoïèse, et l’établissement pour la première fois de lignées cellulaires érythrocytaires immortalisées dérivées du foie fœtal, fournissant ainsi des outils importants pour l’étude approfondie du processus d’érythropoïèse terminale. En révélant les mécanismes de la faible capacité d’énucléation des érythrocytes immortalisés, cette étude a proposé des orientations pour de possibles méthodes d’amélioration. Ces découvertes fournissent des aperçus importants pour comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans le processus d’érythropoïèse, tout en jetant les bases pour de futures recherches en thérapie cellulaire et génique.

Conclusion

Cette étude a intégré les différentes caractéristiques de l’érythropoïèse dans le foie fœtal humain et les systèmes de culture, fournissant des ressources précieuses pour une étude plus approfondie de l’érythropoïèse dans le foie fœtal grâce à l’établissement de lignées cellulaires érythrocytaires immortalisées. Les données de RNA-seq et les lignées cellulaires établies fourniront une base importante pour les futures recherches sur l’érythropoïèse et le développement de méthodes thérapeutiques.