血液和骨髓移植数十年后干细胞的谱系追踪
在接受异基因造血细胞移植的个体中，产生血液和免疫细胞的骨髓干细胞会被供体的干细胞所取代。移植多年后对供体 - 受体配对进行的基因组测序分析表明，与供体相比，受体血液干细胞中的克隆多样性加速丧失。
研究问题
在异基因造血细胞移植中，患有血液疾病的受体的血液系统会被组织匹配的供体的血液系统所替代。对于许多患有此类疾病的个体而言，这是唯一可能治愈的治疗选择。尽管该手术已开展超过50年 ，但一些基本问题仍然存在。例如，有多少移植细胞对长期血液生成有贡献？供体和受体的年龄如何影响克隆动态？负责重建免疫系统髓系（先天免疫系统细胞）和淋巴系（负责适应性免疫的细胞，如T细胞和B细胞）细胞群体的，是否是相同的造血干细胞（HSCs，即产生血细胞的细胞）？在移植过程中，造血干细胞是否会积累额外的突变？最后，血液系统的克隆进化（已知会随年龄增长而发生 ）是否会受到该手术的影响？
研究发现
我们追踪了10对受体和供体（为兄弟姐妹）在移植后9 - 31年的干细胞克隆情况。将单个造血干细胞和造血祖细胞在受孕后获得的突变用作谱系标记（图1a）。鉴于此类突变大约每三周发生一次 ，我们能够以较高的时间分辨率追溯移植前、移植期间和移植后存活克隆的谱系。特别地，我们可以将供体未受干扰的血液系统的命运，与受体中密切相关的干细胞的命运进行比较——这些克隆从供体采集并移植到受体后存活下来，在受体的骨髓微环境中植入并长期参与血液生成。
图1 | 植入的造血干细胞数量取决于供体年龄。a，10名接受造血细胞移植（HCT，干细胞来源为骨髓或经粒细胞集落刺激因子（G - CSF）处理后采集的外周血）的受体及其兄弟姐妹供体，在移植十多年后接受随访。将血液样本中的单细胞培养成集落，并对其基因组进行测序（全基因组测序；WGS）。使用荧光激活细胞分选技术（FACS）分离血液样本中的免疫细胞成分，并通过靶向测序进行评估。利用这些数据构建描绘供体和受体血液样本中克隆之间关系的系统发育（进化）树。深度测序图像改编自参考文献4，施普林格·自然有限公司。b，当造血细胞移植来自较年轻的供体时，估计植入的造血干细胞（HSCs）数量更高。图片来源：Spencer Chapman, M. 等人/《自然》（CC BY 4.0）
我们发现，对于来自相对年轻供体（移植时年龄为18 - 47岁）的移植，约有5000 - 30000个干细胞植入。相比之下，来自较年长供体（50 - 66岁）的移植，这一数量约低10倍（图1b）。干细胞移植显著降低了受体的克隆多样性——相当于未接受移植的健康个体额外衰老10 - 15年。当移植来自较年长的供体时，这种影响更为明显。受体和供体的细胞谱系树表明，克隆多样性的丧失主要是由于对供体中预先存在的克隆进行了过度选择压力。各个干细胞的克隆生长模式表明，一些干细胞具有“修剪选择”优势，在采集和植入过程中存活率增加，而另一些则在受体骨髓快速扩张的早期具有“生长选择”优势。这些干细胞克隆的分化模式各不相同；一些优先分化为髓系细胞，另一些则分化为淋巴系细胞。
研究意义
我们的研究为理解干细胞移植的动态过程提供了一种全新的方法，这种方法可轻易扩展到其他细胞疗法 。它有助于解释为什么来自年轻供体的移植效果更好：受体能够维持更高的克隆多样性，并且干细胞对血液生成的贡献更加均衡和具有代表性。我们表明，移植的干细胞具有广泛的特性，这些特性与它们在移植过程中的存活和生长潜力，以及它们向淋巴系或髓系分化的相对偏向有关。鉴于同一供体 - 受体对中克隆之间的差异，这些特性似乎是以细胞内在的方式决定的。
我们的研究存在一些局限性。首先，供体 - 受体对的数量较少。这使得很难就移植过程中可能影响植入细胞数量的变量得出可靠结论，例如干细胞采集方法、潜在疾病或移植前使用的化疗类型（用于破坏残留的疾病细胞并削弱受体免疫系统，以使新的干细胞能够植入）。其次，所研究的移植均取得了长期成功的结果，这可能使研究结果存在偏差。最后，由于所有移植均在兄弟姐妹之间进行，每对中的供体和受体年龄相近，因此无法确定供体年龄和受体年龄在决定移植结果方面哪个更为重要。
我们计划研究供体比受体年长一代或年轻一代的移植情况。这将有助于我们理解骨髓微环境年龄与干细胞群体年龄相比的重要性。——迈克尔·斯宾塞·查普曼和彼得·J·坎贝尔就职于英国欣克斯顿的维康桑格研究所。
专家观点
本文通过运用分析克隆进化的工具来研究异基因造血细胞移植的动态过程，并解释了一些临床重要发现，比如受体相对于供体克隆多样性的丧失，做出了有价值的贡献。研究得出了各种有趣的结论，最值得注意的是区分了与移植时克隆扩增相关的“修剪选择”，以及移植后发生的“生长选择”之间的相互作用。——一位审稿人
论文背后
这是一项始于2018年的合作研究。我们很兴奋能够研究移植多年后受体和供体中相同造血干细胞的克隆动态。招募愿意参与研究的兄弟姐妹需要一家具有高长期随访率的移植诊所，这由瑞士苏黎世的团队负责。与此同时，维康桑格研究所进行了大量的测序工作，生成了3399个全基因组。许多数据是在我们对健康衰老个体造血作用的研究 同时生成的，这为解释我们的研究结果提供了强有力的补充数据集。我们开发了计算方法来模拟和量化血细胞生成，事实证明这些方法是解读两篇论文中见解的关键。我们惊讶地发现谱系树揭示了移植过程中的两种选择模式。在该手术开展数十年后有此发现，意义非凡——这证明了该方法的强大之处。——迈克尔·斯宾塞·查普曼和彼得·J·坎贝尔
编辑视角
凭借其供体 - 受体对数据集，这项研究为异基因造血细胞移植后造血干细胞的动态变化提供了前所未有的见解。在移植多年后从供体和受体采集样本令人印象深刻，并且关于移植干细胞中复杂的修剪和生长选择模式的发现具有广泛的研究价值。——米歇尔·特伦克曼，《自然》高级编辑
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