Nature：新方法终于发现一辈子血液如何变化了

怀特黑德研究所成员Jonathan Weissman及其合作者开发了一种工具来重建人类细胞家谱，揭示血细胞生产在老年时的变化。

　　

血细胞是人体细胞的主要组成部分。它们发挥着重要的功能，它们的功能障碍与许多重要的人类疾病有关，从贫血到像白血病这样的血癌。血细胞种类繁多，包括携带氧气的红细胞，促进凝血的血小板，以及保护我们身体免受病毒和细菌威胁的无数种免疫细胞。

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(HSCs)产生的。造血干细胞必须在我们的整个生命过程中保持大量生产血细胞，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力学，这既是为了了解人类血液生产的基础，也是为了了解血液生产在衰老或疾病情况下是如何变化的。

Jonathan Weissman，麻省理工学院生物学教授，怀特黑德生物医学研究所成员，霍华德休斯医学调查员；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Broad研究所和哈佛大学副会员，Dana Farber癌症研究所的主治医师；以及两人实验室的博士后Chen Weng他们共同开发了一种新方法，可以详细观察人类血细胞的家谱和单个细胞的特征，为造血干细胞谱系之间的差异提供了新的见解。这项研究发表在1月22日的《Nature》杂志上，回答了一些长期存在的关于血细胞生成及其随年龄变化的问题。这项工作还表明，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了它们的当前状态。这将使以前无法回答的关于我们自身生物学的许多问题得以发现。

“我们想问一些现有工具无法解决的问题，”Weng说。“这就是为什么我们汇集了乔纳森和维贾伊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，这样我们就可以解决血液生产中一些重要的未知问题。”

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，这一过程被称为谱系追踪，但这通常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是如何扩散的，以及它们何时以及如何产生使它们更具攻击性和致命性的突变。然而，虽然这些模型可以阐明血液产生等过程的一般原理，但它们并没有给研究人员提供一个完整的画面，说明活人体内发生了什么。它们无法捕捉到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是如何在几代人之间发生变化的，以及这些变化的后果是什么，唯一的方法就是对来自人类样本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，韦斯曼和他的同事编辑了这些细胞，添加了一个可追踪的条形码，这是一串DNA，每次细胞分裂都会发生一点变化，这样研究人员就可以绘制这些变化，将细胞与它们最近的亲属相匹配，重建家谱。研究人员无法将条形码添加到活人的细胞中，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频繁的DNA链，以允许这种家谱重建。

在整个基因组中寻找突变是成本过高的，而且会破坏研究人员收集来了解细胞状态所需的材料。几年前，Sankaran和同事意识到线粒体DNA可能是天然条形码的一个很好的候选者。线粒体存在于我们所有的细胞中，它们有自己的基因组，相对较小，容易发生突变。在早期的研究中，桑卡兰和同事发现了线粒体DNA的突变，但他们无法找到足够的突变来建立一个完整的家族树:在每个细胞中，他们只检测到平均0到1个突变。

现在，在Weng领导的研究中，研究人员将线粒体DNA突变的检测方法提高了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突变的方法，以及如何通过计算验证这些突变是真实的，实现了这一点。他们新的改进的谱系追踪方法被称为ReDeeM，这是单细胞“具有深层线粒体突变谱的调节多组学”的首字母缩写。利用这种方法，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，或可表达的DNA区域的可用性。

将细胞的家谱与每个细胞的状态结合起来，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，如果研究人员确定了血液细胞谱系在家谱中的位置，使其倾向于产生某种类型的血细胞，那么他们就可以研究细胞在这种转变之前的状态发生了什么变化，从而找出驱动这种行为变化的基因和途径。换句话说，他们不仅可以使用数据组合来了解发生了什么变化，还可以了解导致这种变化的机制。

“目标是将细胞的当前状态与其过去的历史联系起来，”Weissman说。“能够在一个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产过程的动态，并以一种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有了一些有趣的发现。

血细胞谱系多样性随着年龄的增长而缩小

研究人员绘制了从每个造血干细胞中提取的血细胞的家谱。这些谱系中的每一个都被称为克隆群。研究人员对克隆群体的工作原理有各种各样的假设: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。也许它们轮流工作，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，但某些血统倾向于产生一种类型的细胞而不是另一种。研究人员从每个测试对象中抽取了两个样本，相隔四个月，发现这些血统之间的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血细胞总数。当一个克隆群体像这样战胜其他群体时，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克隆群可以扩大并成为主导。他们不知道即使在看似健康的个体中，克隆扩增也普遍存在于衰老过程中，也不知道多克隆群体扩增是典型的现象。这使对克隆扩增的理解变得复杂，但揭示了血液生产如何随年龄变化:克隆群的多样性减少。研究人员正在研究使某些克隆群体能够超越其他克隆群体的机制。他们也对测试克隆群的疾病标记物感兴趣，以了解哪些扩增是由疾病引起的或可能导致疾病。

ReDeeM使研究人员能够对血液生成进行各种额外的观察，其中许多与先前的研究一致。这就是他们希望看到的:这个工具有效地识别出血液产生的已知模式，这一事实证实了它的功效。现在研究人员知道了这种方法的效果，他们可以把它应用到许多不同的问题上，比如细胞之间的关系，以及驱动细胞行为变化的机制。他们已经用它来了解更多自身免疫性疾病、血癌和某些类型血细胞的起源。

研究人员希望其他人能使用他们的方法，在健康和疾病的许多情况下提出关于细胞动力学的问题。Sankaran是一名执业血液学家，他也希望有一天这种方法能彻底改变临床医生可以访问的患者数据。

Sankaran说:“在不久的将来，你可以看一下病人的图表，看到这个病人的造血干细胞数量异常低，或者异常高，这将告诉你如何考虑他们的疾病风险。赎回提供了一个新的视角，通过它来理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被改变。最终，我们将能够将这些经验应用到患者护理中。”