血细胞家族树追踪血细胞产量如何随着年龄的增长而变化

血细胞占人体细胞的大部分。它们发挥着关键功能，它们的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。许多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无数类型的免疫细胞。

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以及它们如何产生多种血细胞类型的动态，既是为了了解人类血液产生的基本原理，也是为了了解血液产生在衰老或疾病情况下的变化。

麻省理工学院生物学教授、怀特黑德生物医学研究所成员、霍华德休斯医学研究员乔纳森·韦斯曼;Vijay Sankaran，波士顿儿童医院和哈佛医学院副教授，也是麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学副研究员和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，可以详细研究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，回答了一些关于血细胞生成以及它如何随着年龄增长而变化的长期问题。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访问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。这将使许多关于我们自己生物学的问题变得开放，这些问题以前是无法回答的。

“我们想提出现有工具无法提出的问题，”翁说。“这就是为什么我们将乔纳森和维杰的不同专业知识结合在一起，开发了一种新技术，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未知数。

如何追踪人类细胞的谱系

Weissman和其他人之前已经开发了绘制细胞家谱的方法，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。Weissman使用这种方法来阐明癌症是如何扩散的，以及它们何时以及如何产生突变，使它们更具侵袭性和致命性。然而，虽然这些模型可以阐明血液生产等过程的一般原理，但它们并不能让研究人员全面了解活人体内发生的事情。它们无法捕捉到人类细胞的全部多样性，也无法捕捉到这种多样性对健康和疾病的影响。

详细了解血细胞谱系如何随代变化以及这些变化的后果的唯一方法是对人类样本中的细胞进行谱系追踪。挑战在于，在之前谱系追踪研究中使用的研究模型中，Weissman及其同事编辑了细胞以添加可追踪的条形码，这是一串DNA随着每次细胞分裂而略有变化，因此研究人员可以绘制变化图，将细胞与其最近的亲戚相匹配，并重建家谱。研究人员无法为活体细胞添加条形码，因此他们需要找到一个天然的条形码：一些已经存在并且变化频繁的DNA串，以便进行这种家谱重建。

在整个基因组中寻找突变的成本高昂，并且会破坏研究人员需要收集以了解细胞状态的材料。几年前，Sankaran及其同事意识到线粒体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，基因组相对较小，容易发生突变。在早期的研究中，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0到1个突变。

现在，在Weng领导的研究中，研究人员将他们对线粒体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突变的方式以及如何通过计算验证这些突变是真实的来实现这一目标。他们新的和改进的谱系追踪方法被称为ReDeeM，这是一个来自单细胞“具有深度线粒体突变谱的调节性多组学”的首字母缩写词。使用这种方法，他们可以从人类血液样本中重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，或要表达的DNA区域的可用性。

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，如果研究人员在家谱中指出血细胞谱系偏向于产生某种类型的血细胞的位置，那么他们就可以查看细胞状态在发生这种变化之前发生了什么变化，以便找出哪些基因和途径推动了这种行为的变化。换句话说，他们不仅可以使用数据组合来了解是否发生了变化，还可以了解哪些机制促成了这种变化。

“目标是将细胞的当前状态与其过去的历史联系起来，”Weissman说。“能够在不受干扰的人类样本中做到这一点，使我们能够观察血液生产过程的动态，并以前所未有的方式了解造血干细胞的功能差异。

使用这种方法，研究人员在血液生产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缩小

研究人员绘制了来自每个造血干细胞的血细胞的家谱图。这些谱系中的每一个都称为克隆组。研究人员对克隆基团的工作原理有各种假设：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。也许它们是专门的，一个干细胞产生红细胞，另一个产生白细胞。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，在健康的年轻人中，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，研究人员从老年人身上采集了血液样本。他们发现，随着人类年龄的增长，一些克隆基团开始占主导地位，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胜过其他克隆群体时，它被称为扩张。研究人员知道，在某些疾病中，包含疾病相关突变的单个克隆群可以扩大并成为显性。他们不知道即使在看似健康的个体中，克隆扩增在衰老中也无处不在，或者多个克隆群扩增是典型的。这使对克隆扩增的理解变得复杂，但揭示了血液生成如何随着年龄的增长而变化：克隆群的多样性减少。研究人员正在努力找出使某些克隆群体能够扩展到其他克隆群体的机制。他们还有兴趣测试克隆组的疾病标志物，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，其中许多与以前的研究一致。这就是他们希望看到的：该工具有效地识别了血液生产中的已知模式，这一事实验证了其功效。现在研究人员知道了这种方法的效果如何，他们可以将其应用于许多不同的问题，这些问题涉及细胞之间的关系以及驱动细胞行为变化的机制。他们已经在用它来了解更多关于自身免疫性疾病、血癌和某些类型血细胞起源的信息。

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场景中询问有关细胞动力学的问题。Sankaran是一名执业血液学家，他也希望这种方法有朝一日能彻底改变临床医生可以访问的患者数据。

“在不远的将来，你可以查看患者图表，发现这名患者的HSC数量异常低，或者数量异常高，这将告知你如何看待他们的疾病风险，”Sankaran说。“ReDeeM提供了一个新的视角，通过它来了解血液生产的克隆动力学，以及它们如何在人类健康和疾病中改变。最终，我们将能够将这些经验教训应用于患者护理。