IF50.5｜小鼠造血干细胞的克隆动态与体细胞演化

小鼠造血干细胞突变速率仅为人3倍，但克隆多样性终生保持，无人类衰老性克隆扩张。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

造血干细胞（HSC）通过自我更新和分化维持哺乳动物终生血液生成。在人类中，HSC随年龄积累体细胞突变，部分突变赋予细胞适应性优势，驱动克隆性造血（clonal haematopoiesis），导致老年个体克隆多样性急剧丧失，并与血液肿瘤及多种年龄相关疾病风险增加相关。然而，这种体细胞演化模式是否在其他物种中保守尚不清楚。实验室小鼠作为最常用的造血研究模型，其寿命仅为人类的1/35，但此前缺乏对小鼠HSC克隆动态和选择景观的系统性研究。

科学问题

卡在哪里： 人类造血系统衰老过程中克隆性造血普遍存在，但小鼠是否出现类似现象、其HSC群体动态如何随年龄变化、以及驱动克隆扩张的适应性突变是否保守，此前缺乏基于全基因组和深度靶向测序的系统性证据。

本文要回答： 本研究旨在揭示小鼠造血干细胞和祖细胞的克隆动态、体细胞突变积累规律及选择压力，并与人类模式进行比较。

技术路线

作者主要用了：单细胞来源集落全基因组测序、靶向双链测序、系统发育重建、贝叶斯系统动力学。

作者从3月龄和30月龄雌性C57BL/6J小鼠中分选长期造血干细胞（HSC）和多能祖细胞（MPP），体外单细胞扩增为集落并进行全基因组测序（共1,845个集落，鉴定221,890个体细胞突变），利用共享突变构建系统发育树以推断谱系关系和群体动态。同时，对匹配外周血进行靶向双链测序，检测小鼠中与人类克隆性造血同源基因的微小克隆扩增，并施加感染或化疗等扰动以评估选择景观的可塑性。

图 1　Fig. 1。图1展示了研究策略和突变负荷。a部分显示从年轻和老年小鼠分选HSC和MPP进行单细胞集落全基因组测序，以及对外周血进行靶向双链测序。b部分显示每只小鼠测序的集落数量。c部分显示HSC突变负荷随年龄线性增加，每年约45个SBS。d部分显示HSC与MPP突变负荷无差异。e部分比较了HSC与结肠隐窝及全血的突变负荷，验证了HSC突变率较低。

核心亮点

亮点 1｜HSC与MPP在胚胎期平行建立

系统发育树显示HSC和MPP形成独立的克隆分支，大部分HSC来自HSC自我更新，大部分MPP来自MPP自我更新，两者在生命过程中平行贡献于血液生成。通过隐马尔可夫树模型推断，约50%的HSC和MPP谱系在出生前（约50个突变分子时间）已确定细胞状态，且HSC到MPP的转变在生命早期更频繁。与结肠隐窝共享突变的分析表明，这些谱系在胚胎原肠胚形成后建立。

图 2　Fig. 2。图2展示年轻和老年小鼠的系统发育树。a和b分别显示3月龄和30月龄小鼠的树，HSC（蓝色）和MPP（红色）集落形成独立分支，表明两者平行自我更新。c部分量化了HSC-MPP混合程度，显示在25个突变分子时间后混合度低。d部分比较了不同细胞状态转变模型的简约性。e部分显示隐马尔可夫树模型推断的HSC到MPP转变率在年轻小鼠中更高。

亮点 2｜小鼠HSC突变速率仅为人3倍

小鼠HSC/MPP每年积累约45.3个单碱基替换（SBS），突变率为8.3×10⁻⁹/bp/年，约为人类HSC的3倍，但远低于基于寿命差异预期的20倍。突变特征分析鉴定出SBS1、SBS5和SBS18三种过程，其中SBS18（可能与氧化损伤相关）在生命早期富集。与匹配结肠隐窝相比，HSC突变负荷更低，表明血液中突变率与寿命的负相关程度弱于结肠。

图 3　Fig. 3。图3展示HSC和MPP的群体动态。a部分显示贝叶斯系统动力学推断的有效群体大小轨迹，HSC和MPP轨迹重叠，群体随年龄增长。b部分显示流式细胞术测量的HSC数量随年龄增加。c部分显示小鼠系统发育树中缺乏大的克隆扩张，与人类形成对比。d部分显示全基因组测序中非沉默突变率未偏离中性。

亮点 3｜HSC群体随年龄稳步增长

贝叶斯系统动力学推断显示，小鼠HSC/MPP群体在胚胎期快速扩增后，成年期仍持续增长，至老年达到约70,000个细胞（中位数72,414，95%CI 25,510–98,540），对称自我更新分裂约每6周一次（中位数6.4周，95%CI 1.8–13.2周）。这与流式细胞术观察到的HSC数量随年龄增加一致，且HSC与MPP的群体动态轨迹完全重叠。

图 4　Fig. 4。图4展示小鼠克隆性造血的检测和特征。a部分显示不同年龄小鼠中检测到的克隆大小和突变基因。b部分显示克隆数量随年龄增加。c和d部分显示不同品系小鼠中克隆性造血发生率相似。e部分显示纵向采样中克隆动态。f部分显示dN/dS分析表明Dnmt3a、Bcor和Bcorl1存在正选择。

亮点 4｜老年小鼠无大规模克隆扩张

与人类老年造血系统出现寡克隆不同，小鼠系统发育树中未观察到大的克隆扩张，克隆多样性得以维持。全基因组测序的1,305个集落中未发现人类克隆性造血基因的突变，非沉默突变率也未显著偏离中性预期（dN/dS≈1）。群体动态模拟表明，中性漂移足以解释观察到的系统发育模式，无需正选择。

图 5　Fig. 5。图5展示小鼠克隆性造血的适应度景观。a部分显示同义和非同义突变的VAF分布，用于估计N/λ和突变率。b部分显示非同义突变的适应度效应分布，约7%的突变具有强适应度效应（年增长率50-200%），对应每次对称分裂约15%的选择优势。

亮点 5｜靶向测序揭示微小克隆性造血

使用靶向双链测序检测小鼠外周血中24个人类克隆性造血同源基因，发现克隆性造血发生率随年龄增加，但克隆体积非常小（中位VAF 0.017%，范围0.0036–0.27%）。突变富集于Dnmt3a、Tet2、Bcor、Bcorl1等基因，dN/dS分析显示Dnmt3a、Bcor和Bcorl1存在正选择。在感染或化疗等扰动后，克隆数量和大小增加，选择景观与人类相似。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 单细胞来源集落全基因组测序、靶向双链测序、系统发育重建、贝叶斯系统动力学
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事造血干细胞、衰老或体细胞演化研究的生信与实验人员。

带走一句

小鼠造血干细胞克隆动态与人类存在本质差异，分析小鼠衰老相关造血数据时需谨慎外推，且高灵敏度测序才能捕捉微小克隆。