血细胞家谱追踪产量如何随衰老而变化

血细胞构成人体的大部分细胞。它们发挥着关键功能，其功能障碍与许多重要的人类疾病有关，从贫血到白血病等血癌。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，以及保护我们的身体免受病毒和细菌等威胁的多种类型的免疫细胞。

这些不同类型的血细胞的共同点是它们都是由造血干细胞(HSC)产生的。造血干细胞必须在我们的一生中不断产生大量血细胞，以不断补充我们身体的供应。研究人员希望更好地了解造血干细胞及其产生多种血细胞类型的动态，以便了解人类血液生成的基本原理，并了解血液生成在衰老或疾病情况下如何变化。

乔纳森·韦斯曼 (Jonathan Weissman)，麻省理工学院生物学教授、怀特海德生物医学研究所成员、霍华德·休斯医学研究员; Vijay Sankaran，波士顿儿童医院和哈佛医学院副教授，同时也是麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的副会员以及达纳法伯癌症研究所的主治医师;和他们两个实验室的博士后 Chen Weng 开发了一种新方法，可以详细观察人类血细胞的家谱和单个细胞的特征，为 HSC 谱系之间的差异提供新的见解。

这项研究于 1 月 22 日发表在《自然》杂志上，回答了一些有关血细胞生成及其随着年龄增长如何变化的长期存在的问题。这项工作还展示了这项新技术如何使研究人员能够前所未有地了解任何人类细胞的历史，并深入了解这些历史如何塑造其当前状态。这将使我们可以发现许多以前无法回答的生物学问题。

“我们想提出现有工具无法提出的问题，”翁说。 “这就是为什么我们汇集了乔纳森和维杰的不同专业知识来开发一种新技术，使我们能够提出这些问题以及更多问题，这样我们就可以解决血液生产中的一些重要的未知因素。”

如何追踪人体细胞谱系

韦斯曼和其他人之前已经开发出了绘制细胞谱系图的方法，这一过程称为谱系追踪，但通常这是在动物或工程细胞系中完成的。韦斯曼利用这种方法揭示了癌症如何传播，以及它们何时以及如何产生突变，使它们更具攻击性和致命性。

然而，虽然这些模型可以阐明血液产生等过程的一般原理，但它们并不能让研究人员全面了解活人体内发生的情况。它们无法捕获人类细胞的全部多样性或这种多样性对健康和疾病的影响。

要详细了解血细胞谱系如何在代代相传中发生变化以及这些变化的后果是什么，唯一的方法是对人类样本中的细胞进行谱系追踪。挑战在于，在之前的谱系追踪研究中使用的研究模型中，Weissman 和同事对细胞进行了编辑，添加了可追踪的条形码，即一串 DNA，随着每次细胞分裂而发生一些变化，以便研究人员可以绘制变化图以匹配细胞到它们最近的亲属并重建家谱。

研究人员无法在活人的细胞中添加条形码，因此他们需要找到一种天然的条形码：一些已经存在且变化足够频繁的 DNA 序列，足以重建这个家谱。

寻找整个基因组的突变成本高昂，并且会破坏研究人员需要收集的了解细胞状态的材料。几年前，桑卡兰和同事意识到线粒体 DNA 可能是天然条形码的良好候选者。线粒体存在于我们所有的细胞中，它们有自己的基因组，该基因组相对较小且容易发生突变。在那项早期研究中，Sankaran 及其同事发现了线粒体 DNA 中的突变，但他们无法找到足够的突变来构建完整的家谱：在每个细胞中，他们平均只检测到零到一个突变。

现在，在 Weng 领导的工作中，研究人员将线粒体 DNA 突变的检测提高了 10 倍，这意味着他们在每个细胞中发现了大约 10 个突变，足以作为识别条形码。他们通过改进实验检测线粒体 DNA 突变的方式以及通过计算验证这些突变是否真实的方式来实现这一目标。

他们改进的新谱系追踪方法被称为 ReDeeM，这是单细胞“具有深度线粒体突变分析的监管多组学”的缩写。使用该方法，他们可以从人类血液样本中重新创建数千个血细胞的家谱，并收集有关每个细胞状态的信息：其基因表达水平和表观基因组的差异，或 DNA 区域的可用性予以表达。

将细胞的家谱与每个细胞的状态相结合是理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，如果研究人员查明血细胞谱系在族谱中偏向于产生某种类型血细胞的位置，那么他们就可以查看该转变之前细胞状态的变化，以便找出答案哪些基因和途径推动了行为的改变。换句话说，他们不仅可以使用数据组合来了解发生的变化，还可以了解是什么机制促成了这种变化。

“我们的目标是将细胞当前的状态与其过去的历史联系起来，”韦斯曼说。 “能够在不受干扰的人体样本中做到这一点，让我们能够观察血液生成过程的动态，并以以前不可能的方式了解造血干细胞的功能差异。”

利用这种方法，研究人员在血液生成方面取得了一些有趣的发现。

血细胞谱系多样性随着年龄的增长而减少

研究人员绘制了来自每个造血干细胞的血细胞谱系图。这些谱系中的每一个都称为克隆群。研究人员对克隆群体如何运作有多种假设：也许它们是可以互换的，每个干细胞产生相同数量和类型的血细胞。也许它们是专门化的，一种干细胞产生红细胞，另一种干细胞产生白细胞。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。

研究人员发现，在健康的年轻个体中，答案介于两者之间：基本上每个干细胞都会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。研究人员从每个测试对象身上采集了两个样本，间隔四个月，发现谱系之间的这些差异随着时间的推移是稳定的。

接下来，研究人员采集了老年人的血液样本。他们发现，随着人类年龄的增长，一些克隆群体开始占据主导地位，并产生明显高于平均水平的总血细胞百分比。当一个克隆群体像这样在竞争中胜过其他群体时，这被称为扩张。研究人员知道，在某些疾病中，含有疾病相关突变的单个克隆群体可能会扩大并成为主导。他们不知道即使在看似健康的个体中，克隆扩张在衰老过程中也很普遍，也不知道多克隆群体扩张是典型的。

这使得对克隆扩张的理解变得复杂，但揭示了血液产生如何随着年龄的变化而变化：克隆群体的多样性减少。研究人员正在努力找出使某些克隆群体能够超越其他克隆群体的机制。他们还对测试克隆群体的疾病标记感兴趣，以了解哪些扩增是由疾病引起或可能导致疾病的。

ReDeeM 使研究人员能够对血液产生进行各种额外的观察，其中许多与之前的研究一致。这就是他们希望看到的：该工具有效识别血液生成的已知模式这一事实验证了其功效。现在研究人员知道该方法的效果如何，他们可以将其应用于许多不同的问题，例如细胞之间的关系以及驱动细胞行为变化的机制。他们已经在使用它来更多地了解自身免疫性疾病、血癌和某些类型血细胞的起源。

研究人员希望其他人能够使用他们的方法在健康和疾病的许多情况下提出有关细胞动力学的问题。桑卡兰是一名执业血液学家，他也希望这一方法有一天能够彻底改变临床医生可以访问的患者数据。

Sankaran 表示：“在不久的将来，你可以查看患者图表，发现该患者的 HSC 数量异常低或异常高，这将告诉你如何看待他们的疾病风险。”说。 “ReDeeM 提供了一个新的视角，通过它可以了解血液生产的克隆动态，以及它们如何在人类健康和疾病中发生改变。最终，我们将能够将这些经验教训应用于患者护理。”