Nature：唐氏综合征胎儿血液单细胞多组学图谱发布

导读

已有研究数据表明，患有21号染色体三体（Ts21），即唐氏综合症的儿童，在5岁前患髓系白血病的风险比一般人群高150倍。当前的研究模型并不能完全解释Ts21胎儿肝脏和新生儿中存在的大量血液学异常的现象。例如，患有唐氏综合征的新生儿经常表现出红细胞生成缺陷，而这与基因突变无关。此外，这些异常的严重程度和外显率存在差异，表明其与表观遗传学、微环境以及基因-微环境相互作用有关。

有研究表明，Ts21胎肝造血干细胞和祖细胞表现出与氧化应激相关的独特突变特征。然而，这种氧化应激的升高与Ts21中染色质组织的改变是否有关以及两者如何促进白血病的发生等仍有待研究。

近日，斯坦福大学、剑桥大学等单位的研究团队在Nature发表了题为“Single-cell multi-omics map of human fetal blood in Down syndrome”的研究文章。研究团队结合来自110万个细胞的单细胞转录组测序数据（scRNA-seq）、10×多组学数据、空间转录组学数据以及单细胞体外分化体系等，揭示了21号染色体基因剂量改变的胎儿造血细胞如何与特定的微环境细胞产生相互作用，以及这些相互作用与二倍体胎儿的相互作用有何不同。总之，该研究描述了造血细胞从胎儿肝脏迁移到骨髓时发生的分子变化，并阐明了Ts21如何影响这一过程并导致血液学异常和白血病风险升高。

文章发表在Nature

主要研究内容

01 Ts21中造血细胞组成有所不同

首先，研究人员捕获了3个二倍体胎儿和15个三倍体胎儿的肝脏和骨髓中存在的血细胞和微环境细胞。经过质量控制，scRNA-seq数据集包括来自Ts21胎儿的943074个细胞和来自二倍体胎儿的164478个细胞，并从中确定了8种主要的血液和微环境细胞类型。结果发现，在Ts21肝脏中，造血干祖细胞（HSC/MPPs）、红细胞、肥大细胞和巨核细胞的比例显著增加，髓系细胞和B细胞的比例下降。此外，Ts21肝脏中还出现了一个额外的高循环造血干细胞（HSC）群体，但没有检测到明显的成熟B细胞亚群，这与先前报道的B细胞发育损伤一致。

此外，研究团队还使用10× Visium空间转录组方法评估了细胞丰度的差异，以及哪些配体受体对参与了造血干祖细胞与胎肝微环境细胞的相互作用。分析结果还表明，Ts21胎肝比骨髓表现出更大的造血差异。

图1. Ts21胎肝与骨髓的scRNA-seq分析

02 氧化应激在Ts21造血中上调

随后，研究比较了从二倍体胎儿和Ts21中收集的HSC/MPPs在肝脏和骨髓环境中的基因表达。结果发现，肝脏和骨髓之间的基因表达变化与Ts21基因型无关。与骨髓中的HSC/MPPs相比，肝脏中的二倍体和Ts21中HSC/MPPs都上调了参与细胞周期的基因，如TOP2A、CDC20和BIRC5，下调了参与细胞因子反应的基因，如CXCR4和IL6R。

值得注意的是，与骨髓相比，Ts21胎肝HSC/MPPs中参与活性氧相关的基因存在上调，而这种现象在二倍体胎肝和骨髓HSC/MPPs之间无差异表达。氧化应激被认为是Ts21白血病前期和急性巨核细胞白血病中观察到的GATA1突变的原因。此外，HSC/MPPs中的氧化应激可以刺激循环并导致其过早衰竭，而这与Ts21肝脏中存在高循环HSC/MPPs是一致的。除了细胞周期基因的表达增加外，Ts21肝脏中的循环HSC还表现出参与线粒体功能障碍基因的上调。线粒体功能障碍促进了唐氏综合征相关病理表型的严重程度。后续的实验数据也验证了Ts21胎儿造血细胞比二倍体细胞拥有更高的氧化应激上调和线粒体改变。

图2. Ts21和二倍体HSC中的基因和微环境间的互作分析

03 Ts21造血干细胞的红系偏倚和功能异质性

根据scRNA-seq分析结果，Ts21中存在较高的红系细胞比例。在整合二倍体和Ts21数据集后，发现Ts21造血干细胞比二倍体造血干细胞更倾向于向红系和巨核细胞谱系分化，这证明了红系谱系偏倚在HSC阶段就已经开始。后续的体外体系数据也支持了Ts21造血干细胞表现出巨核细胞和红系偏倚的观点，并且观察到的谱系偏倚在循环造血干细胞中更为明显。

鉴于Ts21造血干细胞表现出向红系谱系的分化倾向，研究人员进一步剖析了造血干细胞的功能异质性，发现HSC存在三个主要分支，这些分支既包含Ts21细胞，也包含二倍体细胞，但具体的丰度不同。例如，分支1具有相似比例的Ts21和二倍体HSC，分支2和3主要由Ts21 HSC组成。

图3. HSC的异质性分析

04 Ts21重塑调控系统

接下来，研究人员将调控元件与造血干细胞中的基因表达联系起来，并评估改变的调控元件对下游基因表达的影响。通过峰值可及性与基因表达的相关性建立了二倍体和Ts21造血干细胞的调控元件——基因图谱，并分别在二倍体HSC和Ts21 HSC中发现了191个和1564个显著的峰值基因，在所有已确定的峰基因中，只有69个在二倍体HSC和Ts21HSC之间共享。

鉴于Ts21 HSC的峰基因图谱存在明显差异，研究人员在统计模型中使用三体互作项直接评估Ts21是否改变了峰可及性与基因表达之间的关系。结果显示，62.3%的显著峰基因具有显著的相互作用项，而这些峰基因是二倍体造血干细胞特异性的，这一结果表明Ts21背景中二倍体峰基因的广泛缺失，因此峰可及性与Ts21中基因表达的关联较弱。

相比之下，只有3.9%的Ts21特异性峰值基因具有显著的相互作用项，在差异可及性分析中，Ts21特异性峰和基因在Ts21中比在二倍体中更容易接近和上调，表明Ts21造血干细胞中这些调控元件的更大激活和更广泛的转录使得这些峰值基因得以发现。以上结果表明，Ts21通过改变峰值可及性与基因表达之间的相关性，重构了调控元件-基因表达格局，从而导致Ts21中这些元件的可及性增加，且少数谱系转录因子在Ts21中变得更加活跃，增加了染色质可及性和基因表达之间的协调，最终驱动谱系偏倚。总之，Ts21造血干细胞中染色质可及性的改变促进基因调控区域的突变获得，最终有可能增加Ts21造血干细胞白血病前期和白血病发展的倾向。

图4. 基因调控层面的分析

结 语

总的来说，该研究基于海量唐氏综合征胎儿肝脏和骨髓造血细胞和微环境细胞，结合空间转录组学和10X多组学技术，扩展了唐氏综合征血液发育的单细胞多组学图谱。该数据集揭示了造血细胞从胎儿肝脏迁移到骨髓时造血过程中的分子变化，并阐明Ts21中存在的差异以及潜在的调控机制。未来，希望能够通过将细胞类型特异性和高度敏感的全基因组测序及相同样本背景下的多组学数据匹配，进一步完善以上结果。

论文原文：

Marderstein, A.R., De Zuani, M., Moeller, R. et al. Single-cell multi-omics map of human fetal blood in Down syndrome. Nature (2024).