2021-09-09

Nature | 从体细胞突变推断胚胎克隆动力学

原创 存在一棵树 图灵基因 今天

收录于话题#前沿生物大数据分析

撰文：存在一棵树

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亮点：

探索了334个单细胞集落的全基因组，并针对 379块组织的深层序列进行研究，利用体细胞突变作为内在条形码重建了早期细胞系统发育；揭示了早期人类胚胎发生中的细胞动力学。

2021年8月25日，韩国科学技术院医学科学与工程研究生院的Young Seok Ju副教授与韩国大邱庆北大学医学院解剖学系助理教授Ji Won Oh在《Nature》上发表了一篇名为“Clonal dynamics in early human embryogenesis inferred from somatic mutation”的文章。该团队针对从7位去世的成年志愿者供体的不同解剖位置获得的379个大块组织的深层序列、以及334个单细胞菌落的全基因组进行了探索，利用体细胞突变作为内在条形码重建了早期细胞系统发育，从体细胞突变推断早期人类胚胎发生的克隆动力学。

基因组突变在整个生命过程中自发地在体细胞中积累，据推测从第一次细胞分裂开始就以相当大的速度积累，这些突变可作为细胞条形码，用于重建体细胞的发育系统发育，并用于跟踪肿瘤、血液和脑组织的克隆组成，为此该团队应用“捕获-再捕获”策略检测和追踪人类个体的早期胚胎突变 (EEM)，如图1所示。“捕获-再捕获”分为“捕获阶段”：收集并体外扩增成体活单细胞，通过全基因组测序（WGS）分析以检测全基因组体细胞突变；“再捕获阶段”：对大块组织进行深度测序，以追踪组织中EEM的变异等位基因分数(VAF)。

如图2所示，团队通过构建细胞谱系，发现在系统发育中两个可辨别的谱系（很可能是受精卵第一次分裂产生的两个细胞）对身体组织的贡献各不相同，表明早期发育过程中发生的细胞命运决定的随机性。如早期发育中出现的前八个细胞中，只有大约三个细胞会产生胚胎，而其余的细胞与这些细胞分离形成胚胎外的其他组织，与线虫的完全确定性胚胎发生不同。

接下来，该团队追踪了成人各个器官组织中 EEM 的 VAF 差异（再捕获阶段）。如图3所示，发现尽管供体之间的水平和时间略有不同，但其左侧和右侧组织的VAF在所有五个个体中都表现出显着差异；除此之外，研究团队还一些祖先细胞，这些细胞将大大有助于血液和肝脏中的成体细胞库。

从279个克隆的WGS中的线粒体 DNA (mtDNA) 序列中，该团队鉴定了体细胞样mtDNA变体，它们中的大多数 (84.4%) 是单克隆特异性的，表现出不同水平的异质性。如图4所示，其在系统发育中的分布表明，第一个节点可能是受精卵，具有约29.8%的mtDNA变异，尽管在母系中有mtDNA纯化机制。从所有的7个供体中334个克隆中鉴定的大多数体细胞突变不归因于早期分支，被视为晚期突变，这里使用内源性体细胞突变的时钟样特性估计了其拷贝数增加的时间，发现在21个长片段扩增中，有7个（33%）发生在生命的前4个十年中，意味着这些突变是在正常细胞中随机获得的。

综上所述，本项研究通过扩大其特定方法以及来自其他器官的大量克隆和组织，将人类胚胎发生进一步解剖到后期的细胞阶段，并建立早期细胞系统发育，从体细胞突变推断早期人类胚胎发生的克隆动力学，证明：1)内源性突变率在第一次细胞分裂时较高，但在生命后期每个细胞分裂时降低到大约一个；2）早期细胞对胚胎本身的普遍不平等贡献，这是由于胚胎中随机留出外胚层细胞的早期细胞瓶颈造成的；3）在身体左右两侧组织、不同胚层和特定解剖部位和器官之间具有着不同程度的早期克隆不平衡；4）一些祖先细胞的出现将大大有助于血液和肝脏中的成体细胞库；5）受精卵中存在线粒体DNA异质性。以上为未来研究完成人类胚胎发生中的细胞系统发育奠定了基础。

教授介绍

YoungSeok Ju，医学博士，现为韩国科学技术院医学科学与工程研究生院的副教授。2007年毕业于首尔大学医学院；2010年获得首尔大学医学院生物化学与医学基因组学专业的博士学位；2013年至2015年在惠康信托桑格研究所进行博士后研究，参与癌症基因组计划项目；随后进入韩国科学技术高等研究院担任助理教授，于2019年成为副教授。其主要研究方向为：1）了解罕见和未确诊癌症的遗传病因；2）使用器官深度测序和单细胞RNA成像了解肿瘤异质性；3）通过细胞血统追踪利用体细胞突变了解人类早期胚胎生成中的细胞动力学。

参考文献

1、Park, S., Mali, N.M., Kim, R. etal. Clonal dynamics in early human embryogenesis inferred from somaticmutation. Nature (2021).