Nature丨血液衰老新解：表观突变克隆追踪揭示衰老动态|dna|位点|克隆|细胞|血液衰老|表观突变|追踪

撰文 | 染色体

传统上，利用遗传或物理标签进行的谱系追踪是研究发育和干细胞命运的重要手段【1】。近年来，结合单细胞 RNA 测序（ scRNA -seq ）的遗传条形码技术，使研究人员能够同时获取干细胞克隆信息和细胞状态，但该方法依赖复杂的基因工程，限制了其在人体及自然衰老研究中的应用【2】。此外，现有的谱系追踪方法普遍存在通量低、缺乏细胞状态解析等局限，难以胜任对复杂细胞分化过程的动态追踪。尽管线粒体 DNA （ mtDNA ）突变可以与单细胞测序联合，用于获取克隆信息，其在细胞谱系重建中的准确性仍存疑【3】。

近日，来自西班牙巴塞罗那科学技术研究所的 Lars Velten 与巴塞罗那生物医学研究所的 Alejo Rodriguez-Fraticelli 共同在 Nature 期刊发表题为 Clonal tracing with somatic epimutations reveals dynamics of blood ageing （利用体细胞表观突变的克隆追踪揭示血液衰老的动态变化）的文章。研究开发了一种无需转基因的新型单细胞谱系追踪方法—— EPI-Clone 。该方法通过分析特定位点的 DNA 甲基化状态，能够同时解析细胞的分化状态与克隆身份。研究发现，衰老相关的造血克隆扩张与分化偏向主要由少数克隆主导，而大多数具有年轻特征的克隆仍保留功能。 EPI-Clone 为大规模解析造血系统中克隆演化和衰老过程提供了有力的新工具。

尽管克隆信息可通过 DNA 甲基化信号被识别，但细胞在分化过程中发生的表观变化会干扰克隆的准确判定【4】。目前的单细胞甲基化测序技术受限于数据量和分辨率，尚难以实现对克隆命运的精确追踪。造血系统因其高度可塑性和层级分化结构，一直是谱系追踪研究的理想模型。衰老过程中，造血克隆常出现异常扩增并伴随多样性丧失。然而，由于缺乏合适的方法，目前尚无法在人体中系统地比较带有驱动突变与不带驱动突变的克隆在谱系输出上的差异。

DNA 甲基化绘制造血克隆与分化双重图谱

首先，研究人员借助 scTAM -seq 技术，构建了小鼠和人类造血系统的单细胞 DNA 甲基化图谱，揭示 DNA 甲基化在识别克隆身份与判断分化状态中的双重作用。他们首先在小鼠造血干细胞中引入 LARRY 条形码进行克隆标记，并在 5 个月后对骨髓中的造血干祖细胞（ HSPCs ）进行分析，测定了 453 个位点的 CpG 甲基化水平及 20 种表面蛋白的表达，同时结合 scRNA -seq 数据进行整合分析。研究发现，动态变化的 CpG 位点主要富集于增强子区域，反映细胞分化路径；而静态 CpG 位点则集中于异染色质和晚复制区域，稳定地保留了克隆特异性信息。基于这一差异特征，研究团队开发了 EPI-Clone 算法，能够精准识别扩增克隆并重建其谱系结构。在成熟免疫细胞甚至肺部内皮细胞中， EPI-Clone 同样表现出良好的识别能力。该研究首次在单细胞水平上绘制出由DNA甲基化信息驱动的造血克隆与分化图谱，展示了DNA甲基化作为稳定克隆条形码的潜力，为深入理解细胞命运决策与克隆演化过程提供了全新的研究工具。

EPI-Clone 揭示衰老过程中的造血克隆扩张规律

接下来，研究人员利用新开发的单细胞表观遗传溯源技术 EPI-Clone ，系统解析了小鼠与人类在衰老过程中造血干细胞（ HSC ）及其后代的克隆扩张动态。在小鼠的原位（未移植）造血系统中， EPI-Clone 成功识别出多个自然扩增的克隆。研究发现，随着年龄增长， HSC 克隆出现显著扩张，但这些扩张克隆大多表现为分化受阻，仅产生少量子代细胞，呈现出类似人类衰老的特征。此外，这些扩张的 HSC 克隆在移植实验中几乎不具备重建造血系统的能力，说明它们虽然在体内扩张，却缺乏实际功能。在人类样本中，研究人员应用 EPI-Clone 对不同年龄段的骨髓 CD34 ⁺ 细胞进行分析，并结合染色体 Y 丢失（ LOY ）事件和克隆性造血（ CH ）突变进行验证。结果显示， EPI-Clone 不仅能够准确识别携带 CH 驱动突变的克隆，也能检测到未携带已知突变的非 CH 克隆，并观察到随年龄增长，扩张克隆的数量逐渐增加。值得注意的是， CH 克隆倾向于富集于 HSC 和 MPP （多能祖细胞）阶段，在 B 细胞和红系细胞中则明显减少，提示其具有髓系偏向的分化倾向。此外，研究进一步揭示克隆命运的偏倚与早期 HSC/MPP 阶段关键转录因子（如 TAL1 、 CEBPA ）的表达变化密切相关，突显了 EPI-Clone 在功能性研究中的广泛应用潜力。最后，研究还整合了 mt DNA 突变信息，发现部分 mtDNA 突变与特定克隆存在系统性关联，进一步验证了 EPI-Clone 在克隆识别方面的准确性与可靠性。总之， EPI-Clone 不仅能够高效追踪与 CH 相关的克隆，还可揭示衰老过程中无已知驱动因素的克隆扩张特征，深入反映出 HSC “扩张但功能衰退”的老化机制，为研究人类血液系统的演化规律及相关疾病提供了强有力的新工具。

综上所述，该研究开发了 EPI-Clone 方法，通过单细胞 CpG 位点甲基化测序同时获取克隆身份和细胞状态信息。研究将 EPI-Clone 应用于谱系条形码标记细胞及人鼠造血系统，揭示了衰老过程中克隆多样性下降及功能性克隆扩增的特征。

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

制版人：十一

参考文献

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).

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（*排名不分先后）