一篇文章，关于造血干细胞和祖细胞（HSPCs,hematopoietic stem and progenitor cells）在人类一生中的变化，以及它们如何调整分化。

在人的一生中，造血干细胞（HSCs）会调整其谱系输出以支持与年龄相适应的生理需求。在模型生物中，已经观察到与特定年龄偏倚的HSC标志相对应的造血波。然而，造血干细胞和祖细胞的性质如何随着人类寿命的变化仍然不清楚。

为了解决这一空白，研究者分析了从妊娠、成熟到衰老的人类造血干细胞和祖细胞的个体转录组状态。定义了决定HSCs年龄特异性分化的基因表达网络，以及一生中命运决策和谱系启动的动态。且进一步观察到，急性髓系白血病（AML）的分类与定义的转录年龄状态相关，早期生命转录程序的使用与预后不良相关。

提供了一个与疾病相关的框架，用于沿着人类寿命的实际时间轴对干细胞的发育进行异时性定位。

1、人HSPCs（造血干细胞和祖细胞）成熟和衰老的图谱

通过降维技术如PCA（主成分分析）和UMAP（统一流形近似和投影）来可视化整个数据集和谱系轨迹。图中还展示了特定谱系标记基因的表达，如KLF1（红细胞系）、ELANE（粒细胞系）、DNTT（淋巴细胞系）等，以及不同人生阶段的HSPCs状态组成。

不同人生阶段的HSPCs（造血干细胞和祖细胞）状态组成如下：

胚胎期：在胚胎期，HSPCs具有更高的代谢活性，这可能是为了适应快速增殖的需求。卵黄囊（YS）、主动脉-性腺-中区（AGM）和胎肝（FL）是胚胎期造血的主要部位。胚胎期HSPCs具有更高的内皮和红系特征，而产后的HSPCs获得了更强的干细胞特征和造血特征。

围产期和新生儿期：脐带血（UCB）中的HSPCs与胎肝中的相比，获得了更强的干细胞特征和造血特征。新生儿骨髓中的HSPCs静息性更强，具有更高的长期再生能力和持久的自我更新。

儿童和成人期：从出生到成体阶段，干细胞和多能祖细胞具有相似的转录改变，红系潜能在婴儿阶段后增强。成人HSPCs相比胎儿HSPCs，细胞周期更不活跃，且祖细胞往往是单功能的。

老年期：老年HSPCs表现出对巨核细胞分化的偏向。衰老伴随着造血细胞分化的功能倾斜，特征是增强的髓系和减少的淋巴系。衰老的HSPCs表现出数量增加、吞噬能力差、血统偏向和细胞周期停滞等特点。

这些状态组成的变化反映了HSPCs在不同发育阶段的生物学特性和功能，从胚胎期的高代谢活性和快速增殖，到围产期和新生儿期的干细胞特征增强，再到成人期的红系潜能增强，最后到老年期的髓系偏向和功能衰退。这些变化不仅与个体的发育和衰老过程密切相关，也对理解血液疾病的发生和发展具有重要意义。

a：细胞处理、单细胞RNA测序(scRNA-seq)工作流程、采样时间点和造血部位的示意图（总共26个样本）。

b：整个数据集的UMAP（统一流形近似和投影）图。通过执行Louvain聚类和将聚类分配为对红细胞系、粒细胞系、淋巴细胞系、单核细胞/树突状细胞（Mono/DC）、巨核细胞（Meg）或嗜碱细胞/肥大细胞（Baso/Mast）系或未承诺任何系的基因表达状态，获得了谱系分支。

c：UMAP显示了特征性标记基因KLF1（红细胞系）、ELANE（粒细胞系）、DNTT（淋巴细胞系）、MPEG1（Mono/DC）、PF4（Meg）和HDC（Baso/Mast）的表达。标记基因表达图例表示每个细胞的对数转换的标准化读取计数。

d：UMAP突出显示了从人类生命周期的每个阶段随机抽取的4,000个细胞，下方显示了整个数据集中每个年龄组的细胞总数。

e：从妊娠10周到77岁的人类寿命期间，每个HSPC谱系状态的相对频率。

f，基于人类生命周期中定义的年龄阶段的HSPC状态组成的PCA（主成分分析）。状态组成是使用扩展数据图3中定义的状态聚类进行评估的。在对每个年龄阶段存在的HSPC状态聚类进行PCA后，对于PC1、PC2和PC3，显示了对每个PC贡献最强正面或负面的十二个HSPC状态。

定义了决定HSC年龄特异性分化的基因表达网络，以及一生中命运决定和谱系启动的动态。

2、使用cNMF（共识非负矩阵分解）和Sobolev范数变异性识别一致性和年龄依赖的谱系承诺基因

包括每个GEP中贡献最大的前50个基因的热图，以及与每个谱系承诺相关的基因的相对强度

3、GEP相互排他性揭示了整个生命谱系隔离的模式

通过计算不同GEPs之间的相关性，预测了谱系分叉，映射了HSPCs随时间的转录潜力

4、通过cNMF和Sobolev范数的变异性，量化了HSCs（造血干细胞）中谱系承诺的转录变化

HSCs中每个细胞的谱系优势分数，以及不同年龄阶段HSCs的总谱系启动分数

5、一个高度可植入的、发育受限的多谱系造血干细胞状态

揭示了与年龄相关的特定HSC状态。通过cNMF识别了在胎儿和老年人中富集的HSCs的GEPs，并探讨了这些状态的表面标记物，如CD69，以及它们在功能上的重要性。识别并功能验证了一个具有强大植入和多谱系能力的胎儿特异性HSC状态。

6、造血年龄与AML预后相关

探讨了HSPC状态与急性白血病scRNA-seq的相关性，并评估了急性髓系白血病（AML）中年龄状态的预后独立性。图中展示了AML样本与定义的转录年龄状态的分类，以及年龄组成分数与AML预后的关系，观察到急性髓系白血病（AML）的分类与定义的转录年龄状态相关，早期生命转录程序的使用与预后不良相关。

小结

研究者们构建了一个人类HSPC成熟图谱，定义了随生命周期变化的分化。通过非负矩阵因子分解（cNMF）定义了随时间推动谱系承诺的基因表达程序（GEPs）。通过分析GEPs的使用和命运概率，揭示了HSCs如何调整基因表达程序的使用以适应与年龄相关的谱系输出变化。

发现了两个与HSC利用相关的GEPs，一个在中期妊娠中富集（胎儿HSC-GEP），另一个在老年人中富集（老年HSC-GEP）。

研究还探讨了人类白血病中的年龄特异性HSPC状态，发现AML主要分类为单核细胞/树突状细胞祖细胞（Mono/cDC-Prog）和粒细胞祖细胞（G-prog）状态。

通过分析超过50,000个HSPCs，定义了人类造血起源在一生中从发育到成熟和衰老的变化，并展示了数据集在血液疾病研究中的潜在应用。

提供了对人类造血系统在一生中如何变化的深入理解，并为血液疾病的研究和治疗提供了新的视角。

参考文献：

Li H, Côté P, Kuoch M, et al. The dynamics of hematopoiesis over the human lifespan. Nat Methods. Published online December 5, 2024. doi:10.1038/s41592-024-02495-0.