Nature | 细胞身份新利器：EPI-Clone开创无基因改造谱系追踪时代

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2025-05-23 16:35

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静态CpG（Static CpGs）。

静态CpG就像是细胞在生命早期随机获得的独特“胎记”或“指纹”。随着细胞不断分裂，这些静态CpG上的甲基化模式被精确复制并传递，于是来自同一个祖先细胞（即同一个克隆, Clone）的所有子细胞，无论它们最终分化成了哪种成熟血细胞，都共享一套相似的静态CpG甲基化模式。这就是细胞的“秘密身份”，一种内源性的、稳定遗传的数字条形码！

研究人员通过小鼠实验证实了这一发现。他们分析了小鼠造血干细胞和祖细胞（HSPC, Hematopoietic Stem and Progenitor Cells）中453个CpG位点的甲基化数据。结果显示，其中一部分CpG位点（动态CpG）的甲基化状态与细胞的分化阶段紧密相关，能够区分不同的细胞亚群，比如造血干细胞、多能祖细胞（MPP, Multipotent Progenitor）和髓系祖细胞（Myeloid Progenitor）等。而另一部分CpG位点（静态CpG）的甲基化状态则与细胞的分化状态无关，却能很好地反映细胞的克隆来源（通过基因条形码验证）。有趣的是，静态CpG更多地富集在基因组的异染色质区域（Heterochromatic Regions）和晚期复制区域（Late-replicating Domains），这或许暗示了这些区域更容易在细胞快速增殖或表观基因组重塑时产生随机的甲基化变化。

EPI-Clone：为细胞谱系追踪插上翅膀

为了读取并利用这些静态CpG携带的克隆信息，研究团队开发了一种名为EPI-Clone的新方法。这项技术基于单细胞靶向DNA甲基化分析平台（scTAM-seq），能够同时获取单个细胞中数百个目标CpG位点上的甲基化状态，以及细胞表面的蛋白表达信息。最重要的是，整个过程无需对细胞进行基因改造（Transgene-free）。

EPI-Clone算法主要分三步：

识别静态CpG：找到那些甲基化状态与细胞分化状态无关的CpG位点。

识别扩增克隆（Expanded Clones）：在静态CpG定义的甲基化空间中，通过计算细胞密度，找到那些聚集在一起、细胞数量较多的克隆群体。高密度的区域通常对应于那些经历过显著增殖扩增的克隆。

对扩增克隆进行聚类：将识别出的扩增克隆细胞进行更精细的聚类，划分出不同的克隆单元。

研究人员用带有已知基因条形码的小鼠造血细胞验证了EPI-Clone的准确性。他们将标记好的造血干细胞移植到小鼠体内，5个月后分析其血液细胞。EPI-Clone成功地利用静态CpG信息重建了克隆关系，对于相对大小超过0.25%的扩增克隆，识别细胞的准确率达到了AUC 0.79，克隆聚类的调整兰德指数（ARI, Adjusted Rand Index）高达0.88。即使是在一个独立的重复实验中，结果也高度一致（AUC 0.68，ARI 0.82），这证明了静态CpG携带的克隆信息在体内能够稳定存在数月。EPI-Clone不仅能追踪造血干细胞和祖细胞，还能追踪成熟的免疫细胞（Immune Cells），对单核细胞（Monocytes）和中性粒细胞（Neutrophils）等细胞亚群，EPI-Clone识别的克隆与基因条形码的ARI值高于0.7。这说明，静态CpG的表观遗传指纹在大多数细胞谱系中都能维持到终末分化。更进一步，该方法也被成功应用于小鼠肺部的内皮细胞（Endothelial Cells），证明了其广泛适用性。

小鼠模型的克隆衰老：谁是血液大军的“老兵油子”？

EPI-Clone强大的功能使得研究人员能够以前所未有的视角，观察自然衰老过程中小鼠造血系统的克隆动力学。他们比较了年轻小鼠（12周龄）和老龄小鼠（100周龄）骨髓中的造血细胞。

研究发现，年轻小鼠的造血系统已经是“多克隆”（Polyclonal）的，大约50%的细胞来自于少量较大的克隆（相对大小约占总造血干细胞祖细胞的1-4%），其余细胞则属于大量微小的克隆。而在老龄小鼠体内，扩增克隆的数量更多，单个克隆的大小也显著更大（Wilcoxon检验P=0.012），这反映了随着年龄增长，部分克隆经历了更强的选择性扩增，导致克隆多样性（Clonal Diversity）下降。

更有趣的是，EPI-Clone揭示了这些扩增克隆的功能差异。在老龄小鼠中，研究人员发现了一些主要由造血干细胞（HSC）组成的扩增克隆（HSC-expanded clones）。这些克隆细胞数量多，但产生的后代细胞却非常少，似乎在分化能力上存在缺陷。通过移植实验进一步证实，这些老龄小鼠体内扩增的HSC克隆的植入能力（Engraftment Capacity）很差，在重建血液系统中的贡献很小。反而，移植后血液系统的主要贡献者是那些在移植前属于非扩增的HSC。

老龄小鼠整体表现出髓系偏向（Myeloid Bias）的增加，而这种髓系偏向在那些罕见的、细胞数量多但后代少的HSC扩增克隆中尤其显著（Wilcoxon检验P=0.01，另一个重复P=0.076）。这与传统的移植研究结论有所不同。这些数据表明，老龄小鼠造血干细胞数量的增加和产出效率的降低，主要源于少数扩增但功能受限的克隆。那些未经历显著扩增、保持“年轻”状态的HSC克隆，似乎在老龄时仍然维持功能并驱动着再造血。