Nature：新研究破译人类造血干细胞的细胞状态和谱系

血细胞占人体细胞的绝大部分。它们发挥着重要的功能，其功能障碍与许多重要的人类疾病有关，从贫血症到白血病等血癌。多种类型的血细胞包括携带氧气的红细胞、促进凝血的血小板，以及保护人体免受病毒和细菌等威胁的各种免疫细胞。

这些不同类型血细胞的共同点是，它们都是由造血干细胞（HSC）产生的。造血干细胞必须在人的一生中持续大量地制造血细胞，以不断补充体内的血细胞供应。科学家们希望更好地了解造血干细胞以及造血干细胞如何产生多种类型血细胞的动态，以便了解人体造血的基本原理，并了解在衰老或疾病情况下造血是如何变化的。

如今，在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院、波士顿儿童医院、布罗德研究所和丹娜法伯癌症研究院等研究机构的研究人员开发出了一种新方法，可以详细查看人类血细胞的家族树和单个细胞的特征，为了解造血干细胞不同谱系之间的差异提供了新的视角。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Deciphering cell states and genealogies of human hematopoiesis”。

这项新的研究回答了一些关于血细胞生成及其如何随着年龄增长而变化的长期问题。它还展示了这种新技术如何让人们以前所未有的方式了解任何人类细胞的历史，以及这些历史如何塑造了它们当前的状态。这将使人们发现许多以前无法回答的有关自身生物学的问题。

论文第一作者Chen Weng说，“我们想提出现有工具无法解答的问题。这就是为什么我们将Jonathan Weissman和Vijay Sankaran的不同专长结合起来，开发出一种新技术，让我们能够提出这些问题和更多问题，从而解决造血过程中的一些重要未知问题。”

如何追踪人类细胞谱系

Weissman和其他人以前曾开发过绘制细胞家族树的方法，这一过程被称为系谱追踪，但通常是在动物或工程化细胞系中进行的。Weissman利用这种方法揭示了癌症是如何扩散的，以及何时和如何发生突变，从而使其更具侵袭性和致命性。

然而，虽然这些模型可以阐明造血等过程的一般原理，但它们并不能让人们全面了解活人体内发生了什么。它们无法捕捉人体细胞的全部多样性，也无法了解这种多样性对健康和疾病的影响。

要详细了解血细胞谱系是如何在不同世代之间变化以及这些变化的后果，唯一的方法就是对来自人体样本的细胞进行系谱追踪。挑战在于，在以前的谱系追踪研究中使用的研究模型中，Weissman及其同事们对这些细胞进行了编辑，添加了一个可追踪的条形码，即一段每次细胞分裂都会发生些许变化的DNA，这样就可以绘制变化图，将细胞与它们的近亲相匹配，从而重建细胞家族树。

这些作者无法在活人的细胞中添加条形码，因此他们需要找到天然的条形码：已经存在并且变化足够频繁以便重建细胞家族树谱的DNA片段。

在整个基因组中寻找突变不仅成本高昂，而且会破坏科学家们为了解细胞状态而需要收集的材料。几年前，Sankaran及其同事们意识到线粒体DNA可能是天然条形码的理想候选者。线粒体存在于我们所有的细胞中，它们有自己的基因组，而基因组相对较小，容易发生突变。在早先的研究中，Sankaran及其同事们发现了线粒体DNA中的突变，但他们无法找到足够多的突变来建立完整的家谱：在每个细胞中，他们平均只检测到零到一个突变。

如今，在Weng的领导下，这些作者将检测线粒体DNA突变的能力提高了10倍，这意味着他们在每个细胞中发现了大约10个突变，足以作为识别的条形码。为此，他们改进了线粒体DNA突变的检测方法和计算验证方法。

图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07066-z

他们改进后的新谱系追踪方法被命名为 ReDeeM（regulatory multi-omics with deep mitochondrial mutation profiling）。利用这种方法，他们可以从人体血液样本中重新构建成千上万个血细胞的家族树，并收集每个细胞的状态信息：它的基因表达水平和表观基因组的差异，或者DNA可表达区域的可用性。

将细胞家族树与每个细胞的状态相结合，是了解细胞谱系如何随时间变化以及这些变化的影响的关键。例如，如果确定了血细胞谱系中偏向于产生某种类型血细胞的位置，那么他们就可以研究细胞状态在发生变化之前发生了哪些变化，从而找出是哪些基因和途径推动了这种行为的改变。换句话说，他们可以利用数据的组合，不仅了解发生了变化，还了解是什么机制促成了这种变化。

Weissman说，“我们的目标是将细胞的当前状态与其过去的历史联系起来。能够在未受干扰的人体样本中做到这一点，让我们能够观察造血过程的动态，并以一种前所未有的方式了解造血干细胞的功能差异。”利用这种方法，这些作者对造血过程有了几个有趣的发现。

血细胞系多样性随年龄增长而缩小

这些作者绘制了每个造血干细胞产生的血细胞的家族树。每个血细胞谱系都被称为一个克隆群（clonal group）。他们对克隆群的工作原理提出了多种假设：也许它们可以互换，每个造血干细胞产生同等数量和类型的血细胞。也许它们是特化的，一种造血干细胞产生红细胞，另一种产生白细胞。也许它们轮班工作，一些造血干细胞处于休眠状态，而另一些则产生血细胞。

这些作者发现，在健康、年轻的个体中，答案处于中间位置：基本上每种造血干细胞都能产生每种类型的血细胞，但某些谱系偏向于产生一种类型的细胞，而不是另一种类型的细胞。他们从每个测试对象身上采集了两份样本，间隔时间为四个月，结果发现，随着时间的推移，不同谱系之间的这些差异是稳定的。

接下来，这些作者采集了老年人的血液样本。他们发现，随着年龄的增长，一些克隆群开始占据主导地位，其产生的血细胞占总血细胞的比例明显高于平均水平。当像这样的一个克隆群在竞争中胜过其他克隆群时，这就是所谓的扩增。他们知道，在某些疾病中，含有与疾病相关的突变的单个克隆群会发生扩增并成为优势。但他们不知道，即使是看似健康的个体，在衰老过程中也普遍存在克隆扩增（clonal expansion）现象，也不知道多个克隆群扩增是一种典型现象。

这使人们对克隆扩增的理解变得更加复杂，但却揭示了造血功能是如何随着年龄的增长而发生变化的：克隆群的多样性减少了。这些作者正在努力找出使某些克隆群比其他克隆群扩张的机制。他们还有兴趣对克隆群进行疾病标志物检测，以了解哪些扩增是由疾病引起或可能导致疾病。

这些作者通过 ReDeeM 对造血功能进行了各种额外的观察，其中许多观察结果与之前的研究一致。这正是他们所希望看到的：该工具能有效识别已知的造血模式，这一事实验证了它的功效。既然他们知道这种方法的效果如何，他们就可以将它应用于许多不同的问题，如细胞之间的关系以及驱动细胞行为变化的机制。他们已经开始利用这种方法来进一步了解自身免疫疾病、血癌以及某些类型血细胞的起源。

这些作者希望，其他人也能利用他们的方法，对健康和疾病中许多情况下的细胞动态提出问题。Sankaran也希望这种方法有朝一日能彻底改变临床医生所能获取的患者数据。

Sankaran说，“在不远的将来，你可以查看患者的病历，发现患者的造血干细胞数量异常少，或者异常多，这将为你如何考虑他们的疾病风险提供信息。ReDeeM提供了一个新的视角，通过它可以了解造血的克隆动态，以及它们在人类健康和疾病中可能发生的变化。最终，我们将能够把这些经验应用到患者护理中。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Chen Weng et al. Deciphering cell states and genealogies of human hematopoiesis. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07066-z.

Blood cell family trees trace how production changes with aging
https://phys.org/news/2024-01-blood-cell-family-trees-production.html