为探究造血干细胞（HSC）的克隆选择和群体动态，研究人员对小鼠 HSC 进行研究，揭示其随年龄变化规律及进化特征。来自美国贝勒医学院、英国惠康桑格研究所等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature》杂志上。
造血，这个维持生命运转的重要过程，就像一场永不停歇的细胞 “生产大会”，红细胞负责输送氧气，免疫细胞保卫身体，血小板参与凝血，它们源源不断地被制造出来，满足身体的各种需求。而这一切的源头，便是造血干细胞（HSC）。在人体中，每天约有 2800 亿个血细胞被制造出来，造血的重要性不言而喻。
随着年龄的增长，HSC 也会发生变化。在人类中，HSC 积累的体细胞突变会促进某些细胞的增殖，引发 “克隆造血” 现象。这种现象在年轻人中水平较低，但在老年人中却很普遍，它不仅会导致克隆多样性大幅丧失，还是血癌和一些非癌性老年疾病的危险因素。
然而，在其他物种中，造血衰老是否也遵循类似的规律呢？这还是个未知数。就像不同的生命有着独特的旅程，不同物种的造血系统在衰老过程中是否也有着独特的轨迹？为了揭开这个谜团，来自美国贝勒医学院、英国惠康桑格研究所等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature》杂志上。
细胞分选与培养
从不同年龄的小鼠中分离出全骨髓细胞，通过荧光激活细胞分选技术，获取特定的造血祖细胞，如 HSC 和多能祖细胞（MPP），并进行单细胞体外培养形成克隆。
基因测序
对单细胞来源的克隆进行全基因组测序（WGS），同时针对外周血进行靶向双链测序，以此来识别体细胞突变和小克隆扩增。
系统发育分析
根据体细胞突变的共享模式构建系统发育树，以此推断细胞间的谱系关系和群体动态变化。
体细胞突变积累
研究发现，小鼠 HSC/MPP 的体细胞突变积累速率较为稳定。3 个月大的小鼠，其 HSC/MPP 平均有 59.5 个单碱基替换（SBSs），到 30 个月大时，这一数字增加到 161.4 个，每年增加约 45.3 个 SBSs，相当于每 8 - 9 天就有一个体细胞突变发生，突变率为8.3×10?9每碱基对每年。而且，HSC 和 MPP 的突变负担没有明显差异，这与人类 HSC 和分化血细胞的情况一致。同时，小鼠 HSC 的 SBS 速率约为人类的 3 倍，但最终突变负担差异却更大，这表明血液中的体细胞突变率与寿命的反比关系并不像结肠中那么明显。
突变过程的病因
通过系统发育树分析，研究人员发现小鼠 HSC/MPP 较高的突变积累速率，并非源于 DNA 复制保真度较差，而是由特定的突变过程（如 SBS18），以及更高的内源性 DNA 损伤和 / 或修复减少（SBS1/SBS5）导致的。
HSC 和 MPP 的建立
经典观点认为 MPP 来源于 HSC，但研究人员通过系统发育分析发现，大多数 HSC 和 MPP 是在胚胎发育过程中平行建立的，它们各自独立自我更新，并且在生命过程中平行地为血液生成做出贡献。这一结论与传统观点相悖，但与近期的一些研究证据相符。
HSC 和 MPP 的转换
研究人员开发了隐藏马尔可夫树模型来估计 HSC - MPP 的转换速率。结果表明，50% 的 HSC 和 MPP 谱系在生命早期（可能在出生前）就已确定细胞状态，且 HSC 向 MPP 的转换比 MPP 向 HSC 的转换更频繁。
干细胞群体动态变化
通过系统发育树的分支模式和贝叶斯系统发育动力学框架，研究人员推断出小鼠 HSC 群体在生命早期呈指数增长，之后逐渐增加，到成年时 HSC - MPP 群体数量增长至约 70,000 个细胞，对称细胞分裂大约每 6 周发生一次。HSC 和 MPP 在稳态造血过程中的克隆动态似乎难以区分。
对祖细胞和血液的贡献
研究发现 HSC 和 MPP 对下游祖细胞的产生比例相似，并且都积极参与成熟血液的生成。不过，MPP 谱系在成熟血液中的贡献可能略高于 HSC。
克隆扩张情况
与人类不同，小鼠的系统发育树中没有明显的克隆扩张，这表明小鼠在衰老过程中维持了克隆多样性。但通过靶向测序发现，小鼠血液中存在小的克隆扩张，且这些克隆在受到血液学扰动后会变大变多，其选择景观与人类相似。
小鼠克隆造血的特征
研究人员在小鼠血液中检测到随年龄增长而增加的小克隆，这些克隆携带与人类克隆造血相关基因的突变，如 Dnmt3a 和 Tet2 等。而且，这些小克隆的扩张是受到正选择的，并非遗传漂变的结果。此外，通过对小鼠进行微生物暴露和化疗等处理，发现造血突变积累和选择足以驱动小鼠的克隆造血，且选择景观是可调节的。
小鼠克隆造血的适应性景观
研究人员估计了驱动突变的适应性景观，发现约 7% 的非同义突变具有较强的适应性效应（每年 50 - 200% 的生长）。在小鼠中，适应性较弱的变体可能没有足够的时间在群体中达到指数增长，这也解释了为什么一些低 VAF 克隆在一段时间内没有增大。
研究结论和讨论部分指出，HSC 和 MPP 群体在胚胎发育过程中建立，并在小鼠一生中独立自我更新。它们的克隆动态相似，且数量与人类 HSC 池大小相似。血液中的体细胞突变率在不同组织中存在差异，小鼠 HSC 的突变率相对较低，这可能与减少有害突变的进入有关。虽然小鼠在衰老过程中没有出现像人类那样明显的克隆造血现象，但在受到系统暴露时，小鼠的造血克隆会扩张，且与人类有着相似的选择景观。这项研究为未来利用小鼠模型研究 HSC 生物学和衰老提供了重要的框架，有助于我们更好地理解造血系统的演化和衰老机制，为相关疾病的研究和治疗提供了新的思路和方向。
