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Nature基因黑科技!基于多种测序手段,科学家首次直接量化人体干细胞数量

造血干细胞(HSC)可以分化为髓细胞、T细胞和B细胞等,驱动人体血液的生成,是研究历史最长且最为深入的一类成体干细胞。尽管造血干细胞移植已经成为白血病等疾病的重要治疗手段,但人体内造血干细胞的确切数量和在终身动态变化仍不清楚,此前更无法直接进行量化。2018年9月6日,一项发表于国际权威期刊Nature的最新研究利用基因测序技术巧妙地解读了这一难题。该研究首次量化出成人体内拥有5万~20万个造血干细胞,比此前的估计数字高出10倍!

相关研究发表于Nature期刊

研究结果着实让人十分惊讶,但更为巧妙其实是研究所使用的方法,可以说充分发挥了基因科技的奥妙。在这项研究中,研究人员使用全基因组测序技术,将“伴随细胞终身”的体细胞突变作为细胞的独特标记,构建了细胞的“系统发育树”。随后,研究人员利用基于体细胞突变的Capture-Recapture生态学方法,通过深度靶向测序技术,成功量化出人体内造血干细胞的数量。

文章通讯作者、Sanger研究所Peter Campbell博士介绍:“此前对造血干细胞的预估数字是从小鼠、猫或猴子的研究中推断出来的,这是人类首次直接量化干细胞的数量。”

实验流程图

具体而言,研究人员从一名健康的59岁男性中收集了骨髓和外周血,并分离出单独的造血干细胞及祖细胞。在单细胞悬液培养或细胞集落形成实验后,研究人员对198个细胞集落进行了约15x深度的全基因组测序。在排除了多克隆后,最终获得140个细胞集落。研究人员发现,在整个细胞集落的突变负荷是相似的,平均有1023个碱基替换和20个小片段插入或删除事件。随后,研究人员利用其发现的共计129582个体细胞基因突变,构建了一种系统发育树。正常血细胞中体细胞突变的数量会随着时间增长而增加,研究人员发现,这些突变可以被用作一种“分子钟”来追踪细胞的祖先。他们还发现,血液中的干细胞数量在童年时期迅速增加,并在儿童期晚期或青春期达到平台期。干细胞的数量在整个成年期保持相对恒定。在该研究另一部分,该团队利用了类似于生态学中Capture-Recapture实验的方法来量化血液干细胞的数量。研究人员在三个时间点从同一研究参与者中收集样本,并进行了深度靶向测序,以确定他们在实验第一部分中发现的体细胞突变。最终,他们计算出成人体内含有5万~20万个造血干细胞。

这些突变就像条形码一样,每一个都独特地标记了一个干细胞及其后代,”文章第一作者Henry LeeSix说道,“然后,我们在血液的其余部分中寻找这些突变,看看哪些血细胞携带相同的条码,从中我们可以估计出干细胞的总数。”

这种灵活的新方法为研究其他人体器官中的干细胞数量及其动态变化开辟了道路。基于该方法,研究人员不仅可以检测出干细胞的数量,而且可以深入探索它们之间的相互关系及其分化的细胞类型。文章共同通讯作者David Kent博士说道:“将这种技术应用于血癌患者的样本,我们可以了解单个细胞如何战胜正常细胞,扩充其数量,最终引发癌症。基因组测序成本的下降改变了科学研究,使之前认为不大可能进行的工作变成了常规研究,这也使的生物学领域步入了令人振奋的时代。”

参考文献:

Population dynamics of normal human blood inferred from somatic mutations

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本文由 测序中国 作者:陈初夏 发表,转载请注明来源!

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