撰文 | 染色體

傳統上，利用遺傳或物理標簽進行的譜系追蹤是研究發育和干細胞命運的重要手段【1】。近年來，結合單細胞 RNA 測序（ scRNA -seq ）的遺傳條形碼技術，使研究人員能夠同時獲取干細胞克隆信息和細胞狀態，但該方法依賴復雜的基因工程，限制了其在人體及自然衰老研究中的應用【2】。此外，現有的譜系追蹤方法普遍存在通量低、缺乏細胞狀態解析等局限，難以勝任對復雜細胞分化過程的動態追蹤。盡管線粒體 DNA （ mtDNA ）突變可以與單細胞測序聯合，用于獲取克隆信息，其在細胞譜系重建中的準確性仍存疑【3】。

近 日， 來自 西班牙 巴塞羅那科學技術研究所 的 Lars Velten 與 巴塞羅那生物醫學研究所 的 Alejo Rodriguez-Fraticelli 共同 在 Nature 期刊發表 題為 Clonal tracing with somatic epimutations reveals dynamics of blood ageing （ 利用體細胞表觀突變的克隆追蹤揭示血液 衰老 的動態變化 ） 的文章 。 研究 開發了一種無需轉基因的新型單細胞譜系追蹤方法—— EPI-Clone 。該方法通過分析特定位點的 DNA 甲基化狀態，能夠同時解析細胞的分化狀態與克隆身份。研究發現，衰老相關的造血克隆擴張與分化偏向主要由少數克隆主導，而大多數具有年輕特征的克隆仍保留功能。 EPI-Clone 為大規模解析造血系統中克隆演化和衰老過程提供了有力的新工具。

盡管克隆信息可通過 DNA 甲基化信號被識別，但細胞在分化過程中發生的表觀變化會干擾克隆的準確判定【4】。目前的單細胞甲基化測序技術受限于數據量和分辨率，尚難以實現對克隆命運的精確追蹤。造血系統因其高度可塑性和層級分化結構，一直是譜系追蹤研究的理想模型。衰老過程中，造血克隆常出現異常擴增并伴隨多樣性喪失。然而，由于缺乏合適的方法，目前尚無法在人體中系統地比較帶有驅動突變與不帶驅動突變的克隆在譜系輸出上的差異。

DNA 甲基化繪制造血克隆與分化雙重圖譜

首先， 研究 人員 借助 scTAM -seq 技術，構建了小鼠和人類造血系統的單細胞 DNA 甲基化圖譜，揭示 DNA 甲基化在識別克隆身份與判斷分化狀態中的雙重作用。他們首先在小鼠造血干細胞中引入 LARRY 條形碼進行克隆標記，并在 5 個月后對骨髓中的造血干祖細胞（ HSPCs ）進行分析，測定了 453 個位點的 CpG 甲基化水平及 20 種表面蛋白的表達，同時結合 scRNA -seq 數據進行整合分析。研究發現，動態變化的 CpG 位點主要富集于增強子區域，反映細胞分化路徑；而靜態 CpG 位點則集中于異染色質和晚復制區域，穩定地保留了克隆特異性信息。基于這一差異特征，研究團隊開發了 EPI-Clone 算法，能夠精準識別擴增克隆并重建其譜系結構。在成熟免疫細胞甚至肺部內皮細胞中， EPI-Clone 同樣表現出良好的識別能力。該研究首次在單細胞水平上繪制出由DNA甲基化信息驅動的造血克隆與分化圖譜，展示了DNA甲基化作為穩定克隆條形碼的潛力，為深入理解細胞命運決策與克隆演化過程提供了全新的研究工具。

EPI-Clone 揭示衰老過程中的造血克隆擴張規律

接下來，研究 人員 利用新開發的單細胞表觀遺傳溯源技術 EPI-Clone ，系統解析了小鼠與人類在衰老過程中造血干細胞（ HSC ）及其后代的克隆擴張動態。在小鼠的原位（未移植）造血系統中， EPI-Clone 成功識別出多個自然擴增的克隆。研究發現，隨著年齡增長， HSC 克隆出現顯著擴張，但這些擴張克隆大多表現為分化受阻，僅產生少量子代細胞，呈現出類似人類衰老的特征。此外，這些擴張的 HSC 克隆在移植實驗中幾乎不具備重建造血系統的能力，說明它們雖然在體內擴張，卻缺乏實際功能。在人類樣本中，研究 人員 應用 EPI-Clone 對不同年齡段的骨髓 CD34 ? 細胞進行分析，并結合染色體 Y 丟失（ LOY ）事件和克隆性造血（ CH ）突變進行驗證。結果顯示， EPI-Clone 不僅能夠準確識別攜帶 CH 驅動突變的克隆，也能檢測到未攜帶已知突變的非 CH 克隆，并觀察到隨年齡增長，擴張克隆的數量逐漸增加。值得注意的是， CH 克隆傾向于富集于 HSC 和 MPP （多能祖細胞）階段，在 B 細胞和紅系細胞中則明顯減少，提示其具有髓系偏向的分化傾向。 此外 ，研究進一步揭示克隆命運的偏倚與早期 HSC/MPP 階段關鍵轉錄因子（如 TAL1 、 CEBPA ）的表達變化密切相關，突顯了 EPI-Clone 在功能性研究中的廣泛應用潛力。最后，研究還整合了 mt DNA 突變信息，發現部分 mtDNA 突變與特定克隆存在系統性關聯，進一步驗證了 EPI-Clone 在克隆識別方面的準確性與可靠性。 總之 ， EPI-Clone 不僅能夠高效追蹤與 CH 相關的克隆，還可揭示衰老過程中無已知驅動因素的克隆擴張特征，深入反映出 HSC “擴張但功能衰退”的老化機制，為研究人類血液系統的演化規律及相關疾病提供了強有力的新工具。

綜上所述， 該研究 開發了 EPI-Clone 方法，通過單細胞 CpG 位點甲基化測序同時獲取克隆身份和細胞狀態信息。研究將 EPI-Clone 應用于 譜系 條形碼 標記 細胞及人鼠造血系統，揭示 了 衰老過程中克隆多樣性下降及功能性克隆擴增 的 特征。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09041-8

制版人： 十一

參考文獻

1. Sankaran, V. G., Weissman, J. S. & Zon, L. I. Cellular barcoding to decipher clonal dynamics in disease. Science 378, eabm5874 (2022).

2. Weinreb, C., Rodriguez-Fraticelli, A., Camargo, F. D. & Klein, A. M. Lineage tracing on transcriptional landscapes links state to fate during differentiation. Science 367, eaaw3381 (2020).

3. Lareau, C. A. et al. Artifacts in single-cell mitochondrial DNA mutation analyses misinform phylogenetic inference. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2024.07.28.605517(2024).

4. Li, L. et al. A mouse model with high clonal barcode diversity for joint lineage, transcriptomic, and epigenomic profiling in single cells. Cell 186, 5183 - 5199 (2023).

學術合作組織

（*排名不分先后）

戰略合作伙伴

（*排名不分先后）

（*排名不分先后）

轉載須知

【原創文章】BioArt原創文章，歡迎個人轉發分享，未經允許禁止轉載，所刊登的所有作品的著作權均為BioArt所擁有。BioArt保留所有法定權利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

會議資訊

近期直播推薦