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解密人类造血系统的细胞状态与谱系

期刊:natureDOI:10.1038/s41586-024-07066-z

这篇文档属于类型a,是一篇关于人类造血系统单细胞谱系追踪的原创研究论文。以下是详细的学术报告:


一、研究团队与发表信息

本研究由Chen Weng(波士顿儿童医院/哈佛医学院)、Fulong Yu(广州医科大学)、Dian Yang(怀特黑德生物医学研究所)等来自多个机构的团队合作完成,通讯作者为Jonathan S. Weissman(麻省理工学院/霍华德休斯医学研究所)和Vijay G. Sankaran(哈佛干细胞研究所)。研究成果于2024年3月14日发表在Nature期刊(卷627,页389-398),标题为《Deciphering cell states and genealogies of human haematopoiesis》。


二、学术背景

研究领域:造血干细胞(HSC, Haematopoietic Stem Cell)生物学与单细胞多组学技术。
科学问题:人类造血干细胞在稳态造血过程中的克隆动态、功能异质性及其随年龄的变化机制尚不明确。传统方法(如移植实验或外源标记)难以在天然状态下解析克隆贡献。
研究目标:开发一种高分辨率单细胞谱系追踪技术(REDEM),结合转录组和染色质可及性分析,绘制人类造血系统的克隆图谱,揭示HSC的功能多样性及衰老对其影响。


三、研究流程与方法

1. 技术开发:REDEM(单细胞调控多组学与线粒体DNA深度突变分析)

  • 原理:利用线粒体DNA(mtDNA)自发突变作为天然条形码,通过单分子共识纠错提高突变检测灵敏度(10倍于传统方法)。
  • 实验流程
    • 样本处理:从12名健康供者(年龄26-78岁)的骨髓中分离单核细胞(BMMCs)和CD34+造血干/祖细胞(HSPCs),富集HSCs(CD34+CD45RA−CD90+)。
    • 多组学捕获:改良10x Genomics平台,同步生成三个文库:(1)mtDNA(通过探针杂交富集),(2)单细胞RNA测序(scRNA-seq),(3)染色质可及性测序(scATAC-seq)。
    • 数据分析:开发计算流程REDEM-V/REDEM-R,通过内源性分子标签(eUMIs)校正测序错误,识别高置信度mtDNA突变(共检测4,831个突变/7,104细胞)。

2. 验证实验

  • 小鼠模型验证:在KRAS/TP53驱动的肺癌模型中,对比CRISPR条形码与REDEM的谱系追踪结果,显示一致性(调整Rand指数0.2-0.7)。
  • 人类样本验证:通过两次采样(间隔4个月)证实HSC克隆状态的稳定性。

3. 应用分析

  • 克隆动态:重建造血系统发育树,量化HSC克隆输出(输出活性差异达4.9倍)和谱系偏好(60%克隆存在稳定偏向性,如髓系/淋系偏向)。
  • 衰老研究:对比年轻与老年供者,发现老年个体造血系统克隆多样性显著降低(寡克隆扩张),且伴随Y染色体嵌合缺失(mLOY)的克隆选择性扩增。

四、主要结果

  1. HSC功能异质性

    • 分子层面:通过加权最近邻(WNN)聚类发现14个HSC亚群,差异表达基因(如MECOM、FLT3)和染色质可及性(如BMP-SMAD通路)揭示其状态多样性。
    • 克隆层面:30%的HSC克隆表现出稳定的细胞状态偏好(如高增殖或静息状态),且这种偏好持续数月。
  2. 克隆输出与谱系偏向

    • 输出活性:高输出克隆更倾向于产生髓系和红系细胞,而淋系偏向克隆输出较低(Pearson相关性r=0.59)。
    • 表观调控:通过“克隆行为轨迹分析”鉴定2,931个染色质开放区域与克隆行为相关(如AP-1结合位点与淋系偏向相关)。
  3. 衰老的影响

    • 克隆结构:老年供者造血系统呈现寡克隆结构(Shannon多样性指数降低),并存在多个扩增克隆(如34.4%细胞属于选择性扩增克隆)。
    • mLOY现象:在老年男性中,Y染色体缺失的克隆显著富集于淋巴系(p=0.009),提示mLOY可能通过表观调控影响克隆竞争。

五、结论与意义

  1. 科学价值

    • 首次在天然状态下解析人类HSC的克隆动态,证实其功能异质性的稳定性和克隆竞争机制。
    • 揭示衰老导致造血系统克隆多样性丧失的分子基础,为理解克隆造血(CHIP)和白血病前期病变提供新视角。
  2. 技术革新

    • REDEM技术通过整合多组学与天然条形码,为研究其他组织(如肠道或肿瘤)的克隆演化树立了新范式。

六、研究亮点

  1. 方法学突破

    • 开发了首个可同时检测单细胞转录组、表观组和天然谱系标记的高通量技术,灵敏度较前人提升10倍。
    • 提出“克隆行为轨迹分析”算法,将克隆表型与表观调控直接关联。
  2. 重要发现

    • 推翻“克隆均质化”假说,证明HSC在稳态下存在长期稳定的功能异质性。
    • 揭示衰老相关的寡克隆扩张具有多驱动机制(如mLOY和表观失调)。

七、其他价值

  • 数据资源:公开了约15万个造血细胞的单细胞多组学数据,为后续研究提供宝贵资源。
  • 临床启示:克隆动态的量化可能用于评估造血衰老风险或优化干细胞治疗策略。

(全文约1,800字)

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