Past-Moon|Cell Stem Cell新技术 | 单细胞谱系追踪解析造血干细胞命运与转录组特征
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多细胞生命是从单个细胞开始 ， 通过细胞分裂和分化 ， 最终形成组织分明、井然有序的个体 。 在这个过程中细胞的发育历史被称为谱系 (lineage) 。 记录、追踪并绘制细胞发育历史的过程被称为谱系追踪 (lineage tracing)。 近年来科学家通过发展谱系追踪的方法学 ， 深入理解了干细胞驱动的器官再生与稳态 ， 推动了体外迷你器官培养的进步 。 在癌症领域 ， 谱系追踪揭示了肿瘤细胞的起源和克隆演化 ， 提供了靶向肿瘤干细胞的新型肿瘤治疗策略 。 但由于传统的谱系追踪工具缺乏足够高的分辨率 ， 解析谱系组成复杂且高度动态的复杂系统（如血液与免疫系统）仍有很大挑战 。
为解决这一技术挑战 ， 德国癌症研究中心Hans-Reimer Rodewald研究组与Thomas Hfer研究组于2017年在Nature上发表了一项细胞内源DNA条形码 (barcode) 技术——Polylox (第一作者为裴唯珂博士)。 该技术基于Cre重组酶的随机重组原理 ， 可在体内产生超过100万种序列随机的重组产物——即Polylox条形码 。 通过测序追踪条形码在体内的流向 ， 即可实现高分辨率重建复细胞发育轨迹并在克隆水平解析细胞发育命运 。
然而Polylox条形码技术虽可以揭示细胞的发育命运 ， 但无法回答细胞命运决定背后的分子机制 。 近年来高速发展的单细胞组学技术可以提供基因表达的“快照” ， 为发育生物学的研究翻开了崭新的一页 。 但是单细胞测序技术缺乏细胞谱系（祖代细胞-子代细胞关系）信息 ， 因此单时间点的单细胞转录组数据尚不足以揭示细胞在连续时间轴上的发育命运 。
为双管齐下同时解析细胞命运和基因表达 ， 2020年8月11日 ， Hans-Reimer Rodewald与Thomas Hfer研究组再度联手（裴唯珂、商傅伟、王曦为共同第一作者）在Cell Stem Cell杂志上发表文章Resolving Fates and Single-Cell Transcriptomes of Hematopoietic Stem Cell Clones by PolyloxExpress Barcoding ， 报道了一种内源RNA条形码工具——PolyloxExpress 。 该工具在Polylox系统的基础上 ， 将 DNA条形码表达为RNA条形码 。 通过单细胞测序技术捕获单个细胞的转录组 ， 并利用RNA条形码的流向确定每个细胞的发育命运 ， 该工作实现了在单细胞水平整合细胞谱系信息与基因表达信息（图1A, B） 。
本文插图
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图1. PolyloxExpress系统同时解析细胞谱系信息与基因表达信息
作者们将PolyloxExpress RNA条形码系统用来研究自然状态下造血干细胞命运决定的基因表达调控（图1C） 。 造血干细胞 (Hematopoietic stem cells, HSC) 是建立并维持血液系统与免疫系统的成体干细胞 ， 具有自我更新的能力以及分化成淋巴系、髓系、红系等多种血液谱系的发育潜能 。 理解造血干细胞在自然状态下命运决定的调控机制是临床上成功应用造血干细胞治疗白血病等血液疾病的关键 。 作者们用Tie2-MeriCreMer小鼠驱动PolyloxExpress条形码标记造血干细胞 ， 通过谱系追踪实验发现造血干细胞按发育命运主要分为三类：产生所有谱系的多谱系造血干细胞(multilineage)；只产生髓系细胞和红细胞的髓系-红系造血干细胞 (myelo-erythroid restricted) ；以及分化不活跃的造血干细胞 (differentiation-inactive)。 作者基于造血干细胞的基因表达变化进行主成分分析 (Principal Component Analysis, PCA)发现只凭转录组信息本身无法准确区分命运不同的造血干细胞 。 接下来通过在造血过程的单细胞转录组图谱上注释细胞的发育命运 ， 作者们发现这三类命运不同的造血干细胞克隆分别占据了转录组图谱的特定区域 ， 表明这些细胞亚群具有命运特异的转录组特征（图2） 。
