Nature Methods | 从胚胎到老年：人类造血干细胞全生命周期的动态揭秘

引言

造血系统是维持人体健康的重要基石，负责产生血液中的红细胞、白细胞和血小板。这一系统的核心，是一种特殊的细胞——造血干细胞（Hematopoietic Stem Cells，HSCs）。它们以极高的多能性和自我更新能力，为人体提供源源不断的新鲜血液。然而，随着年龄的增长，造血干细胞的功能会发生显著变化，影响着人体对感染的抵抗能力、血液输送氧气的效率以及对伤口的修复速度。这些变化不仅影响正常的生理状态，也与多种血液疾病的发生密切相关，如白血病、骨髓衰竭等。因此，理解造血干细胞在整个人类生命周期中的动态变化，成为生命科学和医学研究中的一大热点。

长期以来，研究人员在小鼠模型中观察到造血干细胞随年龄变化的显著模式，但由于人类与小鼠的生理差异，这些发现无法直接应用于人类体系。要填补这一知识空白，研究人员需要在人类身上开展更全面和细致的研究。近年来，单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）技术的发展，为解决这一问题提供了突破口。这种技术可以精确捕捉单个细胞的基因表达状态，帮助研究人员绘制不同阶段造血干细胞的功能图谱。

基于这一背景，一项前沿研究对人类从胚胎期到老年期的造血干细胞进行了系统性分析，揭示了它们在不同年龄阶段的基因表达网络和分化优先级的变化。研究发现，胎儿期的造血干细胞具有强大的多能性和自我更新能力，主要分化为髓系细胞以支持发育需求；而成年后，这种优先级转变为红细胞和血小板的生产；到了老年期，造血干细胞则倾向于扩增多能干细胞，却伴随功能衰退。这些发现不仅深化了我们对造血干细胞生命周期的认识，还为理解相关疾病（如急性髓系白血病）的发生机制提供了重要线索。（12月5日Nature Methods“The dynamics of hematopoiesis over the human lifespan”）

揭开生命之源：造血干细胞的奇妙世界

在我们的身体中，血液以一种近乎奇迹的方式无声地流动，不仅输送氧气和营养，还抵御外来病菌的侵袭，修复伤口，并维持生命的平衡。而这一切的幕后功臣，是一种名为造血干细胞（Hematopoietic Stem Cells, HSCs）的神奇细胞。它们是血液系统的“起点”，肩负着产生红细胞、白细胞和血小板的任务，是维系生命不可或缺的基础。

造血干细胞之所以被称为“干细胞”，是因为它们具有多能性（pluripotency）和自我更新能力（self-renewal）。这意味着，它们不仅可以无限次复制自己，还能够分化成各种类型的血细胞，以满足人体的需求。从胎儿期到成年，再到老年，每时每刻，造血干细胞都在默默适应我们身体的不同需求：在出生前，它们主要分化为髓系细胞以支持快速发育；而在成年后，它们开始优先生成红细胞和血小板，以维持血液循环的高效运转；到了老年，造血干细胞的优先级再次发生转变，更倾向于扩增自己，然而功能却逐渐衰退。

这种分工背后的奥秘，隐藏在它们的基因表达网络中。研究人员通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，对人类从胎儿期到77岁年龄段的造血干细胞进行了深入研究。他们发现，胎儿期的造血干细胞表现出极高的多能性和分化能力，其基因表达更倾向于支持组织发育和免疫系统的建立。而成年人的造血干细胞则开始优先分化为适应日常生理需求的细胞，如红细胞和免疫细胞。至于老年阶段，这些细胞表现出更多与衰老相关的基因特征，如蛋白质代谢紊乱和抗应激能力下降。

生命的旅程：造血干细胞的成长与蜕变

从胚胎到老年，造血干细胞（Hematopoietic Stem Cells, HSCs）就像生命的“时间旅人”，在不同阶段展现出各具特色的功能变化和适应能力。这种旅程不仅塑造了血液系统的复杂性，更是理解生命进程的一把钥匙。

在胚胎期，造血干细胞的舞台集中在胎儿肝脏中。这个阶段的造血干细胞犹如“超级工程师”，展现出强大的多能性和自我更新能力，为快速发育的机体提供充足的髓系细胞（如巨噬细胞和中性粒细胞）。这些细胞不仅帮助胎儿应对感染，还在组织形成中扮演关键角色。例如，研究显示，胎儿肝脏中的造血干细胞比成年骨髓的造血干细胞具有更高的增殖能力，同时其基因表达网络更加活跃，展现出强劲的适应性和分化潜力。

随着出生，造血干细胞的“工作场所”迁移至骨髓。新生儿和儿童时期，造血干细胞的优先级逐渐转向淋巴系细胞的生成，为发育中的免疫系统提供强大的防御能力。研究发现，这一阶段的造血干细胞显现出高水平的淋巴细胞相关基因表达，例如DNTT基因，这对B细胞和T细胞的生成至关重要。

进入成年，造血干细胞的分化开始更多地服务于日常生理需求。它们专注于生成红细胞和血小板，确保血液输送氧气和维持凝血功能的高效运行。然而，到了老年期，造血干细胞面临前所未有的挑战。研究揭示，老年阶段的造血干细胞优先扩增自身，但功能显著下降，表现出明显的髓系偏向（myeloid bias），这是由于基因表达中与衰老相关的信号增加，例如与蛋白质代谢紊乱相关的基因。

人类造血干/祖细胞（HSPC）成熟与衰老的全景图（Credit:Nature Methods）

细胞处理与分析流程（图a）

研究收集了来自26名供体的HSPC样本，覆盖从胚胎10周到77岁的多个生命阶段，包括胎肝、脐带血以及成年骨髓等不同造血部位。通过单细胞RNA测序技术，对每个样本中的HSPC进行高分辨率基因表达分析，从而描绘其在不同生命阶段的变化轨迹。

UMAP降维可视化（图b）

利用UMAP技术，将所有样本的HSPC基因表达数据降维并进行可视化。通过Louvain聚类，研究人员将HSPC分为多个细胞亚群，包括红系（erythroid）、粒系（granulocyte）、淋巴系（lymphoid）、单核/树突细胞（monocyte/dendritic cell, Mono/DC）、巨核细胞（megakaryocyte, Meg）以及嗜碱性粒细胞/肥大细胞（basophil/mast cell, Baso/Mast），同时标注了未分化的细胞群体。每一分群的分化特性是基于基因表达模式定义的。

特征性标记基因表达（图c）

展示了与各类HSPC分化状态相关的特征性标记基因在UMAP上的分布。例如：KLF1：红系分化的标记；ELANE：粒系分化的标记；DNTT：淋巴系分化的标记；MPEG1：单核/树突细胞的标记；PF4：巨核细胞的标记；HDC：嗜碱性粒细胞/肥大细胞的标记。这些基因的表达分布清晰地展示了各类HSPC的分化趋势。

不同年龄阶段的HSPC分布（图d）

随机抽取了不同年龄阶段（从胎儿到老年）中的4000个HSPC，展示了各阶段细胞分布在UMAP上的差异。总细胞数随年龄阶段变化而不同，覆盖了从胎儿期到老年期的完整生命周期。

HSPC分化状态的相对频率（图e）

显示了各HSPC谱系状态（如红系、粒系、淋巴系等）在不同生命阶段中的相对频率。例如，胎儿期以红系和髓系细胞为主，儿童期淋巴系细胞占主导地位，而在成年和老年阶段，髓系偏向逐渐增加。

主成分分析（PCA）（图f）

基于HSPC的状态组成进行主成分分析，揭示了不同年龄阶段HSPC的显著差异。例如：PC1区分了儿童期和其他阶段；PC2主要区分成年和老年阶段；PC3则分离出胎儿期和围产期的造血特征。进一步分析显示，这些主成分是由特定HSPC状态的正或负贡献决定的。

基因的密码：解读造血干细胞的年龄“指令”

造血干细胞在人类不同生命阶段展现的多样性背后，是一套精密的基因表达网络。这些“基因指令”像是造血干细胞的导航系统，精准引导它们在合适的时间分化出所需的血细胞类型。研究表明，胎儿期和老年期的HSC基因表达有着显著的差异，这些特定的基因网络深刻影响着细胞的功能和分化优先级。

在胎儿期，HSCs的基因表达集中于支持发育的高效分化和多能性。研究发现，胎儿肝脏中的HSCs高度表达FOS、JUN等基因，这些基因与细胞增殖和自我更新密切相关。此外，胎儿期的HSCs还表现出与免疫系统早期建立相关的基因表达，例如DNTT，这对生成淋巴系细胞（如B细胞和T细胞）至关重要。胎儿HSCs的这一基因网络让它们具备强大的再生能力和适应性，能快速满足机体发育对各种血细胞的需求。

然而，到了老年期，HSCs的基因表达图谱发生了显著变化。研究发现，老年HSCs更倾向于髓系分化，这种“髓系偏向”（myeloid bias）与老年人免疫力下降以及血液疾病（如白血病）的发生密切相关。这一阶段的HSCs显现出高度表达与蛋白质代谢紊乱和应激反应相关的基因，如HSP90B1和RPLP2。此外，老年HSCs的基因网络中出现了更多与炎症相关的信号，提示它们可能处于一种慢性炎症环境中，这对细胞功能造成进一步损害。

造血与健康：为何年龄改变一切？

造血干细胞是人体维持健康的核心动力，但其功能随年龄变化而经历深刻转变。这些变化不仅影响免疫系统的防御能力，也决定了血液系统的更新效率，并与多种血液疾病的发生密切相关。

在年轻阶段，HSCs表现出极高的多能性，能够平衡产生红细胞、白细胞和血小板，保障血液系统的正常运行。童年时期，HSCs的分化优先级向淋巴系细胞倾斜，为机体建立强大的适应性免疫系统提供支持。然而，随着年龄的增长，HSCs的优先分化方向逐渐从淋巴系转向髓系（myeloid bias）。研究表明，老年HSCs的这种偏向性，导致免疫系统的适应性能力显著下降，机体对感染的抵抗力减弱，同时出现慢性炎症状态的风险增加。

这一转变还直接影响了血液系统的更新能力。年轻阶段的HSCs可以快速生成红细胞和血小板，以支持高效的氧气输送和凝血功能。但在老年阶段，HSCs的自我更新能力下降，其基因表达图谱中还出现了更多与应激反应和蛋白质代谢紊乱相关的信号。例如，老年HSCs中的RPLP2和HSP90B1基因表达增加，这不仅标志着细胞功能的衰退，还与造血干细胞扩增过程中失调的应激反应有关。

这些功能变化与血液疾病的发生密不可分。研究显示，老年人的HSCs中积累了更多的基因突变，这些突变可能触发如急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukemia, AML）等疾病。此外，老年HSCs中与炎症相关的基因表达增加，可能导致慢性骨髓增生性疾病的发生风险上升。

从实验到现实：前沿技术如何重塑研究范式

在造血干细胞研究领域，单细胞RNA测序（Single-Cell RNA Sequencing, scRNA-seq）技术的兴起，为这一领域注入了前所未有的活力。凭借其在单细胞层面捕捉基因表达状态的精确能力，这项技术正在彻底改变我们对HSC的认知，开启了新的篇章。

过去，研究人员试图揭示造血干细胞随年龄变化的规律，但由于样本异质性和技术限制，很难准确描绘从胚胎到老年的全生命周期图景。而scRNA-seq技术的引入，让研究人员能够在单个细胞水平上追踪基因表达的动态变化，并绘制出覆盖全生命周期的高分辨率造血干细胞“功能地图”。在这项研究中，研究人员采集了从胚胎10周到77岁个体的造血干细胞样本，通过scRNA-seq技术分析了超过5.8万个细胞的基因表达谱，成功定义了造血干细胞在不同年龄阶段的22种状态。这种精细的数据整合，不仅揭示了年龄相关的基因表达网络，还定义了生命各阶段特有的分化模式。

此外，研究还结合了时间轴上的数据分析方法，如主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）和非负矩阵分解（Non-Negative Matrix Factorization, NMF），进一步解析了基因表达的变化如何驱动HSC功能的转变。例如，胎儿期的HSC表现出强大的多能性，与FOS和JUN等基因的高表达相关；而老年HSC则显示出更多与衰老和应激反应相关的基因，如RPLP2和HSP90B1。这些技术的结合，让研究人员得以首次从动态角度描绘HSC的生命轨迹。

scRNA-seq技术的另一个重要贡献，是它在疾病研究中的应用。例如，通过将急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukemia, AML）的基因表达模式与不同年龄HSC的表达图谱进行比较，研究人员发现AML中一些特定分子特征与胚胎期的HSC高度相似，这与更差的预后显著相关。这一发现为个性化诊断和精准治疗提供了新的线索。

技术的发展，为造血干细胞研究注入了新的可能性。它让我们得以深入挖掘细胞层面的奥秘，从而更好地理解健康与疾病的本质。

疾病的阴影：造血干细胞与白血病的复杂关联

白血病，这种令人谈之色变的血液疾病，其背后隐藏着造血干细胞与年龄相关的复杂关联。急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukemia, AML）是最具代表性的一种，其发病机制不仅与HSC的基因突变密切相关，还与细胞在不同年龄阶段的分化特性息息相关。

研究显示，AML患者的HSC基因表达特征常常与胚胎期或老年期HSC表现出高度相似性。通过单细胞RNA测序技术，研究人员将AML患者的基因表达模式与正常HSC在不同年龄的基因表达图谱进行了对比，发现许多AML细胞与胚胎期HSC的基因表达特征高度一致。这些AML细胞往往更倾向于利用“早期生命程序”（early-life transcriptional programs），这与更差的预后显著相关。

在胚胎期，HSC表现出强大的多能性和增殖能力，这些特性在正常发育中至关重要，但在病理情况下却可能助推癌变。例如，研究发现AML细胞中高表达的基因与胚胎HSC中的关键调控基因（如FOS和JUN）相重叠，这表明这些细胞可能重新激活了“发育阶段”的遗传程序，增强了它们的增殖和适应能力。这种与胎儿特性的联系，让AML在生物学行为上更加具有侵袭性。

另一方面，老年期HSC也与AML密切相关。老年HSC的髓系偏向（myeloid bias）和基因突变累积，为AML的发生提供了土壤。研究揭示，老年HSC中与应激反应和慢性炎症相关的基因表达增加，如HSP90B1和RPLP2，这些基因可能通过复杂的分子网络促进癌变。

从基因治疗到健康老龄化

造血干细胞的研究，不仅揭示了生命在不同阶段的奥秘，还为医学未来打开了广阔的探索空间。

首先，基因治疗的潜力不容忽视。研究揭示了HSC在胎儿期和老年期的特定基因表达网络，这些基因不仅决定了细胞的分化优先级，也可能成为疾病干预的关键靶点。例如，通过调控HSP90B1等与老化相关的基因表达，有可能减缓HSC功能衰退，从而改善老年群体的免疫力和血液健康。此外，研究发现急性髓系白血病（AML）细胞常利用早期生命的基因程序，这为开发靶向治疗提供了新思路。如果能够针对这些“胚胎特性”靶点设计药物，可能显著提高AML患者的生存率。

与此同时，研究中关于HSC随年龄变化的规律，也为健康老龄化提供了科学依据。随着全球人口老龄化加剧，延缓与衰老相关疾病的发生成为重要的公共健康议题。通过调控HSC的基因表达网络，研究人员可以探索如何增强老年阶段HSC的功能，例如逆转髓系偏向或改善细胞对炎症环境的耐受性。这些策略不仅有助于降低白血病和骨髓衰竭等疾病的发生风险，还可能整体提高老年人的生活质量。

此外，单细胞RNA测序等前沿技术的应用，为未来的个性化医疗铺平了道路。通过这项技术，医生可以更精确地识别患者HSC的年龄特征，从而制定更有针对性的治疗方案。例如，在AML治疗中，根据患者肿瘤细胞与不同年龄HSC的相似性，个性化调整疗法可能提高治疗的有效性并降低副作用。

展望未来，HSC研究的意义已超越基础科研范畴，它不仅为疾病治疗和预防提供了新工具，更是理解生命过程和实现健康老龄化的重要突破口。随着技术的不断进步和对基因网络的深入挖掘，我们正在朝着一个精准医学和长寿健康的新时代迈进。

参考文献

Li, H., Côté, P., Kuoch, M. et al. The dynamics of hematopoiesis over the human lifespan. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02495-0

责编|探索君

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