突变干细胞在人类克隆性造血中的选择性优势与炎症和衰老反应减弱有关

2024-11-12 Tue
人类克隆性造血的突变干细胞在衰老和炎症反应中的选择性优势背景及研究动机克隆性造血（Clonal Hematopoiesis，CH） 是一种与衰老相关的血液系统现象，指造血干细胞（Hematopoietic Stem Cells, HSCs）在获得特定的体细胞突变后发生扩增，使某一特定突变细胞系在个体血液中占据显著比例。近年来研究表明，CH与多种不良健康后果相关，包括心血管疾病、髓系恶性肿瘤和其他年龄相关的疾病。然而，突变细胞克隆如何在体内获得竞争优势并逐渐扩展，至今仍不清楚。
目前已有研究指出，CH中最常见的基因突变涉及DNMT3A和TET2基因，这些突变赋予突变细胞一定的选择性优势，使其在人体血液系统中逐渐扩展。因此，本研究聚焦于探究DNMT3A和TET2基因突变在CH中的作用机制，旨在揭示其在炎症反应和衰老环境下的分子调控机制，以期为理解CH的克隆选择和扩展提供新的见解。
研究来源及发表信息本文由Jakobsen、Turkalj等来自牛津大学、剑桥大学及加拿大多伦多大学等多个国际著名研究机构的学者合作完成，于2024年8月1日发表于《Cell Stem Cell》期刊。这项研究通过高精度单细胞基因分型和转录组测序分析人类CH样本中的HSCs，为CH的分子机制提供了新的见解。
研究设计与实验流程研究对象和样本采集本研究选取195位无血液恶性肿瘤史且正接受髋关节置换手术的患者，采集其骨髓样本进行分析。通过高深度测序筛查，确定其中57位存在CH，其中69%的CH患者携带DNMT3A或TET2基因突变。为了排除恶性肿瘤对数据的干扰，研究还排除了有炎症性关节炎或长期使用系统性类固醇的患者。
单细胞多组学分析方法研究采用了优化的Target-seq+单细胞测序方法，结合高精度的基因分型和转录组测序技术，分析了CH样本和非CH对照样本中的HSPCs（造血干细胞及前体细胞）。该技术在检测每个细胞的转录本水平方面具有较高灵敏度，使得研究能够区分同一组织中的突变和非突变细胞，进而深入解析CH突变对HSCs分子特征的影响。
突变干细胞的克隆扩展分析为了量化CH突变干细胞在造血分化过程中的克隆扩展模式，研究应用了基于基因型-转录组数据的MELD和scCODA分析方法。通过UMAP可视化，将突变和野生型（WT）细胞投射到转录组空间中，从而观察DNMT3A和TET2突变克隆在不同造血分化阶段的分布差异。
研究结果DNMT3A和TET2突变在HSCs中的克隆扩展模式研究发现，DNMT3A和TET2突变的HSCs在转录组特征上表现出显著差异，分别具有不同的克隆扩展模式：
1. DNMT3A突变克隆主要在HSC和早期多能祖细胞（Multipotent Progenitors, MPPs）中扩展，未表现出明显的谱系偏向。
2. TET2突变克隆则在HSC和MPP阶段扩展后进一步向粒细胞-单核细胞祖细胞（Granulocyte-Monocyte Progenitors, GMPs）扩展，表现出较明显的髓系分化偏向。
炎症和衰老对突变和非突变HSCs的影响研究通过对比CH突变和非突变HSCs的基因表达谱，发现突变HSCs的炎症反应及衰老相关转录程序受到抑制：
- 与非CH HSCs相比，CH样本中的突变HSCs表现出对TNF-α信号通路和NF-κB等炎症信号的较弱响应，显示出对炎症微环境的适应性增强。
- 相比之下，CH中的非突变HSCs在炎症反应相关基因表达上显著增强，显示出炎症环境对这些非突变HSCs具有不利影响。
这种突变HSCs在炎症环境中的适应性优势，使得它们在长期内获得竞争优势并逐渐扩展，可能是CH克隆扩展的一个关键机制。
CH的非细胞自主性效应研究还发现，CH样本中的非突变HSCs也受到了炎症微环境的显著影响，表现出与突变HSCs相似的转录特征。这表明CH的克隆扩展不仅受突变细胞的内在特性驱动，也受到微环境因素的影响。这种“非细胞自主性”效应可能通过炎症因子的扩散影响周围的非突变细胞，加剧了CH的扩展。
突变HSCs在克隆选择中的细胞类型特异性通过对HSCs和早期前体细胞的进一步分群分析，研究发现了三类具有不同转录特征的HSC亚群，其中一个亚群（HSC2）在炎症和衰老信号通路上更为活跃，表现出更高的TNF-α/NF-κB信号活性和衰老相关基因表达。然而，TET2突变细胞在该亚群中的频率较低，这可能是突变HSCs对炎症信号反应减弱的原因之一。
结论及意义本研究揭示了DNMT3A和TET2突变在CH克隆选择中的分子机制，提出了一种基于炎症微环境的CH扩展模型：突变HSCs通过抑制炎症和衰老信号响应，使其在不利的微环境中获得竞争优势，并逐渐扩展。这一机制不仅解释了CH的克隆扩展动力，还为未来的CH治疗提供了新思路，即通过减少炎症压力或降低突变HSCs对炎症的耐受性，可能有助于抑制CH的进展。
研究亮点高精度单细胞测序技术：通过优化的Target-seq+技术，实现了对CH突变和非突变HSCs的高精度基因分型和转录组测序。
炎症和衰老对CH的非细胞自主性效应：揭示了突变HSCs在炎症环境中的选择性优势，以及CH对周围非突变细胞的潜在影响。
TET2突变的髓系分化偏向：TET2突变HSCs在髓系分化中的扩展优势，为理解CH的谱系选择性提供了新的视角。
CH突变对炎症反应的适应性：CH突变通过减弱炎症和衰老相关的转录反应，赋予突变HSCs在不利微环境下的竞争优势。
研究的科学和应用价值该研究提供了CH突变HSCs在炎症和衰老环境中选择性扩展的分子依据，有助于解释CH与多种年龄相关疾病的关联。未来，通过进一步研究CH与炎症微环境的相互作用机制，有望开发针对CH的干预策略，减缓其引发的健康风险，如降低心血管疾病和髓系肿瘤的发生风险。这一发现为老龄化社会中健康衰老的实现提供了新的理论支持和潜在的治疗方向。