人類首次量化造血幹細胞!數量超越過往認知十倍!

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造血幹細胞(hematopoietic stem cells)通常由骨髓抽取出來,少數由週邊血幹細胞採集,它可分化為紅血球、白血球(包含 T 細胞和 B 細胞)和血小板,以補充體內的血液細胞。先前對造血幹細胞數量的估計是從小鼠、貓或猴的研究中推斷出來的,但其確切的數量和動態尚不清楚。

维康桑格研究所(Wellcome Sanger Institute)和 MRC 劍橋幹細胞研究所的科學家首次在人類中直接量化幹細胞數量,為過去的疑問提供了解答,他們發現健康的成年人有 50000~200000 個造血幹細胞,比之前科學界所認知的數量還要高出 10 倍。該研究結果於 9 月 5 日發表在《Nature》上。

該研究團隊從 59 歲健康男性的骨髓液(bone marrow aspirate)和外週血中收集其造血幹細胞和祖細胞(progenitor cell),然後收集在單細胞液體培養物或群體形成細胞分析法成長後,研究人員將 198 個克隆(colonies)定序至約 15 倍深度。排除多株克隆後,他們再從 89 個免疫表型造血幹細胞、38個巨核細胞-紅血球祖細胞(megakaryocyte–erythrocyte progenitors)、8 個顆粒細胞-巨噬細胞祖細胞(granulocyte–macrophage progenitors)和 5 個常見骨髓祖細胞中獲得了 140 個克隆。

接著,他們發現整個克隆的突變負擔相似,平均有 1023 次置換(substitutions)和 20 次小插入或缺失事件。下一步,他們鑑定了 129582 個自發的全基因體體細胞突變(genome-wide somatic mutations),構建了一個系統發育樹(phylogenetic tree)。隨著年齡的增長,正常血液細胞中的體細胞突變數量也會增加,他們注意到這些突變可能用於追踪細胞祖先的分子鐘(molecular clock)。

該研究第一作者 Henry Lee-Six 博士對此表示,他們從血液和骨髓中分離出許多幹細胞,並定序其基因體以發現突變。該突變就像條碼一樣,每個條碼都獨特地標記幹細胞及其後代。然後他們在血液的其餘部分尋找這些突變,看看哪些造血幹細胞攜帶相同的條碼,進而能估計人體造血幹細胞總量約有 50000~200000 個。

此外,該研究團隊還發現,在該男士的生命早期中,其造血幹細胞群體迅速膨脹,然而,在他的兒童晚期或青春期早期,其造血幹細胞達到高原期(plateau)。該研究資深作者 Peter Campbell 博士對此表示,該新方法為研究其他人體器官中的幹細胞與其健康和疾病和年齡增長之間的關係,開闢了一條新的道路。

該研究聯合資深作者 David Kent 博士也表示,該研究使用的實驗技術非常靈活,他們不僅可以測量存在多少造血幹細胞,還可以看到它們之間的相互關係以及它們產生的血液細胞類型。若將該技術應用於血癌患者樣本,他們現在應該能夠了解單細胞如何勝過正常細胞以擴大其數量並且導致癌症。此外,隨著基因組體序的成本降低,它正在改變科學研究,使之前認為不可能完成的大研究正在成為常規。

參考資料:
1. Nature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0497-0
2. https://www.sanger.ac.uk/news/view/family-tree-blood-production-reveals-hundreds-thousands-stem-cells
3. https://www.genomeweb.com/sequencing/adults-have-10-times-more-blood-stem-cells-previously-estimated#.W5DbqZMzYdD

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