Nat Genet | 识别并量化干细胞克隆选择的工具——SCIFER|体细胞|克隆|扩增|骨髓

撰文丨雪月

正常的干细胞在整个发育过程和出生后的一生中不断积累体细胞突变。随着时间推移，干细胞克隆的大小会因遗传漂变或选择性扩增而发生变化。量化组织干细胞的增殖、分化、体细胞突变以及选择动态，对于理解体细胞嵌合现象至关重要。

克隆性造血（ Clonal hematopoiesis,CH），即造血干细胞（ HSC ）克隆的扩增，是体细胞嵌合的典型例证。 CH 在人类随着年龄增长时发生频率升高，通常与已知的驱动事件相关：例如反复出现在骨髓系统癌症中的基因突变（如 DNMT3A 、 TET2 和 ASXL1 ），或染色体拷贝数的改变。 CH 驱动突变不仅赋予 HSC 选择优势，还会产生促炎的髓系细胞。具有已知驱动基因的 CH 与更高风险的血液癌症、心血管死亡率升高、慢性疾病和感染等相关。

对体细胞突变分布的数学建模预测， CH 的实际发生率远高于仅由已知驱动突变所提示的水平；没有已知驱动突变的克隆扩增可能比那些有已知驱动突变的更为常见。

这些观察结果引出了以下问题： CH 的驱动突变是偶然出现的，还是由于干细胞的更新速率或体细胞突变率升高而更容易获得？拥有已知与未知驱动突变的干细胞克隆，其发生频率和临床表现是否不同？克隆选择事件在人类生命的哪个阶段发生？被选择的克隆增长有多快？要解答这些问题，最理想的是开发一种经济且可扩展的方法，能够识别克隆选择并量化干细胞的动态特征。

近日，来自德国肿瘤研究中心的Thomas Höfer和Verena Körber团队以及牛津大学Paresh Vyas合作在Nature Genetics上发表了文章Detecting and quantifying clonal selection in somatic stem cells，介绍了一种名为SCIFER的新方法，用于在没有已知驱动突变的情况下，识别和量化干细胞中的克隆选择。

作者开发了SCIFER新方法：一个结合种群遗传学模型与贝叶斯推断的工具，可从全基因组测序数据中识别克隆选择。该方法模拟了中性进化与选择性扩增的突变分布，可对不同测序深度（ 30× 、 90× 、 270× ）进行灵敏度和特异度分析。 SCIFER 可准确区分中性进化与选择性扩增（ AUC > 0.95 for VAF ≥ 5% ）。 90× 覆盖即可识别 VAF ≥ 5% 的克隆，而 270× 可检测到 VAF ≥ 1% 的小克隆。 SCIFER 不依赖于已知驱动突变即可发现选择性扩增。

作者使用 SCIFER 分析 HSPC 单细胞数据，验证中性进化。作者利用先前发表的 HSPC （造血干祖细胞）单细胞克隆测序数据，生成 pseudo-bulk 数据，应用 SCIFER 推断干细胞数量、自我更新频率及突变率。结果成功识别出中性进化过程， SCIFER 估计的参数与原始研究高度一致，推断出人类 HSPC 每年分裂 0.4–8 次，每次获得 0.6–5 个 SSNV 。

作者又应用 SCIFER 分析真实人骨髓全基因组测序数据。作者对 22 位无血液系统疾病的个体的 CD34+ HSPCs 进行 90× 和 270× WGS ，分别分析包含已知 CH 驱动基因突变（如 DNMT3A, TET2, ASXL1 ）与无已知驱动突变的样本。结果发现在含已知驱动突变的样本中， SCIFER 识别出的克隆大小与 panel 测序一致。 SCIFER 可检测到最多两个克隆并推断其选择优势与起始时间。在无已知驱动突变的样本中，也发现了多个显著选择性克隆，提示存在未定义的选择压力或新型驱动突变。

作者对 SCIFER 识别出的克隆推断其起源时间和时间平均增长率，并比较不同突变类型（已知 vs 未知驱动）对克隆行为的影响。分析显示克隆选择事件在个体生命过程中持续发生，约从儿童期开始直至中年（ ~50 岁）。克隆的起始时间和选择优势无显著依赖于是否为已知驱动突变。二级克隆通常起源较晚，增长较慢。

作者又对脑组织中克隆选择进行分析。将 SCIFER 应用于 131 位个体的 185 个脑样本（正常和神经系统疾病患者），测序覆盖为 175× ± 70 。并验证已知突变（如 IDH2 、 NRAS 、 DNMT3A ）与 SCIFER 检测结果一致性。结果现实在 24% 的脑样本中检测到选择性克隆，其中大多数起始于生命的前 25 年。克隆大小与染色体数变相关，进一步验证 SCIFER 的可靠性。神经干细胞的分裂频率在 25 岁前下降后趋于稳定。

本研究开发的SCIFER是一种无需已知驱动事件即可识别体细胞克隆选择的强大工具。该研究结合数学建模、模拟数据和真实样本验证了SCIFER的可靠性和实用性。文章表明，克隆选择是生命过程中的普遍现象，存在于骨髓和脑组织中，可能与衰老、癌症发生有关。

https://doi.org/10.1038/s41588-025-02217-y

制版人：十一

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