体细胞克隆扩增是多细胞生物体内细胞增殖的一种重要形式，长期以来被认为与癌症的发生和发展密切相关。尤其是在血液系统中，驱动突变导致的克隆扩增被视为白血病等血液系统肿瘤发生的重要标志。癌症的本质是细胞的失控增殖，而体细胞克隆扩增也具备增殖的表现和特征。此外，两者的驱动突变存在一定的重合性。因此，传统观点认为，体细胞克隆扩增是癌症发生的前体状态。

        近日，中山大学生命科学学院贺雄雷教授团队采用了一种简便的定量评估方法，深入挖掘公共数据，对五个人类个体的九个不同器官的体细胞克隆扩增程度进行了定量评估，并与癌症风险数据进行了详尽的比较分析，该项研究发现了一些颠覆传统认知的结果：

        首先，研究发现不同器官的体细胞克隆扩增程度存在明显差异。这一结果表明，各器官在克隆扩增方面有着各自的特性和潜力。这种差异可能与器官的生物学特性、细胞更新速率、对损伤的反应以及环境因素等多种因素有关。例如，消化系统的器官由于频繁接触外界物质，可能需要更高的细胞更新速率，从而表现出不同的克隆扩增模式（图1a）。

        其次，同一器官的克隆扩增程度在年龄相近的个体间基本一致。对单个器官而言，其克隆扩增水平在老年群体中展现出相似的扩增水平。进一步分析表明，器官的扩增水平差异大部分由器官本身特性所贡献（图1b-d）。这意味着器官的固有特性在决定其克隆扩增潜力方面起着关键作用。然而，由于样本数目的局限性，个体间的细微差异尚无法进行更为详细的拆分，这也提示未来研究需要更大规模的数据集来验证这些发现。

        最重要的是，研究显示癌症发生风险与体细胞克隆扩增程度在固体组织中不存在显著相关性（图1e-f）。这一发现挑战了传统观点，揭示了体细胞克隆扩增程度与癌症发生之间可能的潜在独立机制。具体而言，虽然体细胞克隆扩增常被视为癌症的前兆，但在固体组织中，这种扩增似乎并不直接转化为癌症风险。这一结果暗示，克隆扩增和癌症之间可能存在更复杂的关系，而不仅仅是简单的因果关联。

图1  人类样本多器官克隆扩增程度与癌症风险无显著相关性

        该结果暗示着体细胞克隆扩增与癌症形成可能是两个相似但独立的体细胞演化过程。通过研究体细胞克隆扩增的规律将有利于理解正常组织的良性维持与癌症发生的恶性扩增间的差异。其次，这些信息对于研究衰老过程也至关重要，因为克隆扩增在老年个体中更为显著。此外，某些疾病的发病机制可能与体细胞异常克隆扩增相关（如克罗恩病与特发性肺纤维化），因此对其进行深入研究将有助于揭示其底层的病理机制与开发对应的治疗手段。在癌症预防和治疗方面，虽然目前没有证据表明直接针对克隆扩增可以降低癌症风险，但这些研究结果为开发新的策略提供了线索。例如，如果可以识别出哪些克隆扩增是良性且对健康无害的，科学家们可能就能更精准地筛查和监控那些具有潜在恶性转化风险的克隆。

        该研究以“Variation in cancer risk between organs can not be explained by the degree of somatic clonal expansion”为题发表在Advanced Biotechnology。中山大学生命科学学院贺雄雷教授、邓善俊博士后为该工作的共同通讯作者，张迪博士和张澳硕士为本文的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

在成熟的多细胞生物体内，具有特定功能的细胞群通常源自于一组祖先细胞。细胞群体的谱系多样性是由这些祖细胞的数量决定的，因此估计祖先细胞群体数量是发育生物学的重要研究问题之一。而传统的研究手段主要依赖于组织特异性的启动子介导报告基因的表达，进而对目标细胞群体进行计数。这一类研究手段的可靠性高度依赖于启动子的选择，其中，启动子的组织特异性与时空表达动态都会使估计结果产生偏差。

2024年2月20日，中山大学生命科学学院贺雄雷课题组在Nature Methods上发表了一篇题为A statistical method for quantifying progenitor cells reveals incipient cell fate commitments的研究文章。该研究基于近年来逐渐成熟的细胞谱系追踪技术构建的发育细胞谱系树 (developmental cell phylogeny)，结合群体遗传学的经典溯祖理论 (coalescent theory) 思想，建立了一种估计祖先细胞群体大小的统计方法TarCA (targeting coalescent analysis)，以此来研究胚胎发育过程中细胞群体的动态变化。

给定一颗包含多种细胞类型的细胞谱系树，它的末端节点代表了被采样的细胞，而中间节点则表示祖先细胞。如果一个中间节点的所有子代细胞均为相同的细胞类型，研究人员将其定义为细胞类型特异的单系分支 (monophyletic clade)。随后，研究人员根据单系分支的大小分布计算出随机两个细胞均来自同一单系分支的概率，而该类型细胞的祖先细胞群体数量即为该概率的倒数（图1）。

图1 估计祖先细胞数目的传统方法与TarCA

通过计算机模拟数据，该研究发现，与对单系分支进行直接计数的方法相比，TarCA对采样率要求更低，并且在实验噪音存在时仍能够快速收敛。这是因为在TarCA算法中，子代细胞数量较少的祖先细胞权重较低，从而TarCA能稳定地估计出对子代细胞群体做出主要贡献的祖先细胞数量。随后，研究人员在线虫、果蝇与小鼠的细胞谱系数据中，验证了TarCA在处理真实生物学数据中的可靠性。以小鼠为例，研究人员发现不同组织的祖先细胞群体数量在个体间高度一致。另外，除采样获得的终末细胞类型外，TarCA还能对发育初期的胚胎结构（如三胚层及胚外组织等）的祖先细胞群体数量进行估计，进一步证明了TarCA的可靠性与泛用性。

最后，研究人员还将TarCA拓展至早期细胞命运决定过程的研究中。在细胞命运决定的初期，群体内部仅有小部分驱动基因的表达发生了变化，在全转录组水平依然保持稳定；随着细胞命运决定的进行，细胞群体内逐渐产生全转录组水平的表达差异。如何在基因水平，而非全转录组水平，对基因表达在细胞群体中的异质性进行检测，是研究早期细胞命运决定过程的关键难题（图2）。为此，该研究使用TarCA算法对基因表达水平在细胞谱系树上的异质性进行了评估，识别出了表达水平与细胞分裂历史事件偶联的基因（lineage-specific upregulated genes, LUGs）。以小鼠早期胚胎的肠管细胞为例，研究人员筛选出了155个LUGs，其中包含众多标记前、中、后肠的明星基因。根据LUGs在不同细胞中的表达情况，研究人员进一步构建出小鼠肠管向下游器官分化过程的层级模型。该模型指出，胰腺、小肠与结肠间存在共享的祖先状态，与体外定向分化实验结果一致。

图2  定义细胞命运分配过程中的LUGs

总的来说，该研究开发的TarCA算法可对任意细胞群体估计祖先细胞数目，而无需事先获得祖细胞的先验信息，也能推算少数细胞中的驱动基因，以此来预测早期细胞命运的分化倾向。这些发现说明TarCA能促进包括人类在内的所有复杂生物组织的谱系多样性的量化，对其建立定量模型至关重要，可以帮助人们解决个体发育可塑性和衰老相关的组织功能退化的问题。这项工作是经典进化生物学与现代细胞发育生物学融合的一个典范。

中山大学生命科学学院贺雄雷教授为该论文的通讯作者，课题组博士后邓善俊与博士毕业生龚晗为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助。

相关链接：

https://www.nature.com/articles/s41592-024-02189-7

https://github.com/shadowdeng1994/TarCA