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Nature | 造血干细胞移植后的克隆变化

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-12-27 08:36

正文

撰文 | 存中一贯

始于1956年并在1970年代开始兴盛的造血干细胞移植（haematopoietic cell transplantation, HCT）技术，常被用来取代受损的造血系统或者治疗血液系统癌症【1,2】。当用来治疗癌症的时候，HCT的目标是取代受体的造血系统，利用供体的免疫系统杀死受体中存在的肿瘤细胞。不过，虽然此项技术已经应用很多年了，但还有许多问题依然并不清楚，比如移植多少造血干细胞或祖细胞（haematopoietic stem/progenitor cells, HSPCs）便能维持血液产生；不同的干细胞克隆对于不同类型成熟血细胞的贡献有什么不同；为什么移植许多年之后，受体的发病率和死亡率都会升高【3】；以及为什么老年供体或者受体的表现会比较差？【4】

我们对于干细胞在移植后的变化主要通过克隆跟踪方法在模式生物中获得，比如慢病毒条形码技术、转座子标签、CRISPR/Cas9技术和Cre-Lox系统介导的基因编辑等。直接的人体试验数据因为方法问题很难获得。大多数克隆跟踪方法对于细胞的标记都是在一个单独的时间点，一般是在移植前或者移植的时候，这能促进对于后续移植造血干细胞数目的分析，但却无法评估移植前克隆已经存在的结构对后续移植体的影响。

近日，来自英国Wellcome Sanger Institute的Peter J. Campbell和Markus G. Manz团队在Nature发表了文章Clonal dynamics after allogeneic haematopoietic cell transplantation，他们对10对HCT供体受体在手术前后的造血干细胞克隆进行了详细的检测，发现了影响受体患者术后克隆生长增殖的关键因素。

自发的体细胞突变能够作为动态的谱系标记，因为它们能在生命过程中以一个固定的频率产生（时钟样特征），因此检测体细胞突变能够作为谱系溯源的经典方法。这种方法可被用来分析长期的HCT克隆变化。

研究人员选取10对HLA完全匹配的同胞供体-受体患者对进行后续实验和检测分析。在上述病例中，每个受体患者都已经接受HCT手术许多年（9-31年），其体内造血系统已经完全被供体造血系统取代。这些患者接受HCT治疗的病因大多是急性髓系白血病（acute myeloid leukaemia），供体造血干细胞来源于骨髓，受体和供体的年龄相似。

取供体-受体患者外周血中CD34+ HSPCs细胞在甲基纤维素培养基中培养为单细胞克隆并进行全基因组测序（whole-genome sequencing, WGS），共获得3399个完整基因组，去除低表达的以及重复的基因组，最后得到包含2824个基因组的数据库，用于后续分析。由于供体和受体的样本都来源于供体造血系统，因此，它们的体细胞突变可用来分别重建供体和受体的系统发育树，以及一个联合的系统发育树。

研究人员首先分析了供体和受体中HSPCs的突变压力和状况。通过从头分解，研究人员发现HSPCs中的内源性时钟样特征在供体和受体中都占据主导地位。两个受体患者在HCT手术后接受了铂类化疗，这两个患者携带SBS31突变谱，这可能是由化疗引起的。另外，研究人员还在2824个HSPCs的63个里面发现了APOBEC突变，而且这其中61个来源于受体患者，而非供体，且主要发生在移植过程中或者移植后。这些APOBECs突变通常出现在反向重复序列、高Alu重复序列（Alu repeat density）或者低GC含量碱基附近。APOBECs是宿主防御病毒侵染的重要元件，而在HCT环境里，受体患者通常受到免疫抑制，这种机制的存在解释了受体患者的偏好性防御机制。供体中的突变积累速率是每年每个HSPC为15.8个，且HCT手术本身并不产生较多的突变。

经过分析，研究人员发现有71个突变为驱动突变，包括DNMT3A（23个）、TET2（9个）、CHEK2（4个）、BCOR（4个）和TP53（4个）。在供体-受体患者中常染色体的拷贝数改变（copy-number alterations, CNAs）和结构改变（structural variants, SVs）很稀少，只分别影响0.5%和0.8%的HSPCs。

研究人员评估了HCT手术后，体内长期存活的HSPCs的数量，发现供体年龄低的更容易在受体患者体内产生更多的长期存活的HSPCs。随着年龄增长，正常的造血细胞会逐渐丧失克隆多样性，尤其是70岁之后，只有10-20个显性克隆会负责30-60%的血液产量。驱动这些克隆的突变一般在幼年或者青年时期获得，引发了之后数十年漫长但呈指数级的扩增。与上述发现一致，来自高龄供体-受体对的系统发育树表明，其体内的造血系统大多来源于扩增的克隆。在这些供体-受体对中有75个独立的克隆，但只有20%含有驱动突变。而与供体相比，HCT受体患者的克隆扩增过程加速了。受体患者体内的克隆多样性少于其供体对象。HCT受体患者的克隆多样性的丧失平均比其受体对象快12年。这一现象也导致扩增的克隆更倾向于分化为髓系细胞，而不是淋巴细胞。

除了群体瓶颈和年龄因素之外，还有两种方式影响了克隆在受体内的增殖扩增。一种被研究人员命名为修剪选择（pruning selection），这种方式来源于供体自身的一些因素，它会导致某些克隆在受体患者体内产生增殖优势，另一种方式为生长选择（growth selection），它是移植过程中或之后赋予了一些克隆的生长优势。

总之，本研究通过对HCT对象的研究，发现了年龄、群体瓶颈以及克隆选择方式等影响术后干细胞增殖的关键因素，为临床HCT的实施和改进提供了新的机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08128-y

制版人：十一

参考文献

1. Sevilla, J., Fernández-Plaza, S., Diaz, M. A. & Madero, L. Hematopoietic transplantation for bone marrow failure syndromes and thalassemia. Bone Marrow Transplant 35, S17–S21 (2005).

2. Dickinson, A. M. et al. Graft-versus-leukemia effect following hematopoietic stem cell transplantation for leukemia. Front. Immunol. 8, 496 (2017).

3. Atsuta, Y. et al. Late mortality and causes of death among long-term survivors after allogeneic stem cell transplantation. Biol. Blood Marrow Transplant 22, 1702–1709 (2016).

4. Kollman, C. et al. The effect of donor characteristics on survival after unrelated donor transplantation for hematologic malignancy. Blood 127, 260–267 (2016).

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