唐氏综合症（Trisomy 21, Ts21）患者在出生前即显示出血液异常，例如红细胞增多和白血病倾向。然而，Ts21患者造血功能失调的具体分子机制尚不明了。

近日，剑桥大学、斯坦福大学及哥本哈根大学的研究人员合作在 Nature 发表了题为 Single-cell multi-omics map of human fetal blood in Down syndrome 的研究论文，为揭示该群体造血功能失调的潜在机制。

他们用来自3个正常胎儿和15个Ts21胎儿的骨髓样本，开展了单细胞转录组、染色质可及性和空间转录组学分析，共分析了超过110万个细胞。该研究发现Ts21患者造血干细胞（HSCs）中基因表达的改变在很大程度上依赖于特定的细胞类型和微环境。此外，Ts21 HSCs已显示出分化倾向。通过10X多组学平台，团队构建了一个Ts21特异的基因调控图谱，将非编码元件与HSC基因连接起来，并结合与血细胞计数相关的GWAS数据，发现Ts21样本中调控元件的重组直接影响了增强子活性及基因表达调控。研究还表明，Ts21患者细胞中存在氧化应激和线粒体功能障碍，这些变化可能加速体细胞突变积累，影响造血过程并提高白血病风险。

现有白血病模型认为，唐氏综合症儿童在生命前五年髓系白血病发生风险比正常人高出150倍。GATA1体细胞突变发生在胎儿期HSCs中，这些突变在出生后可扩展为白血病。然而该模型无法解释胎儿期和新生儿期观察到的大范围血液异常。胎儿的胎肝和骨髓均具造血能力，胎肝中的巨核细胞和红细胞比例显著增加，而粒-单核细胞减少。团队发现Ts21样本中胎肝的造血紊乱显著高于骨髓，并且胎肝HSCs中表达了与氧化应激相关的基因突变特征，这些发现提示Ts21可能通过特异性细胞类型诱导全基因组染色质重塑。

研究团队结合scRNA-seq、10X多组学、空间转录组和单细胞分化技术，深入研究了Ts21胎儿HSCs的基因剂量变化如何与其生态位相互作用。团队从15个Ts21胎儿和3个正常胎儿中分离出三类细胞（CD235-造血微环境细胞与耗竭红细胞、CD34+Lin-造血祖细胞、CD45+血细胞）进行10X单细胞测序，同时对Ts21胎儿的胎肝样本进行了空间转录组分析，并对CD45+细胞进行了scATAC-seq和snRNA-seq分析。

分析结果显示，在Ts21胎肝样本中，造血干祖细胞、红细胞、肥大细胞和巨核细胞的比例显著上升，而髓系细胞比例下降；在骨髓中，观察到增殖的造血干细胞和B细胞成熟异常。整体而言，Ts21胎肝的造血紊乱较骨髓更为显著。

为探讨基因-环境相互作用在造血调控中的影响，研究团队对胎肝与骨髓中的HSC/MPP基因表达进行了比较，发现无论是二倍体还是三倍体HSC/MPP，胎肝中的细胞周期基因（TOP2A、CDC20、BIRC5等）表达均上调，而CXCR4和IL6等细胞因子下调。进一步细胞周期分析显示，胎肝样本中的HSC/MPP增殖次数多于骨髓。在Ts21胎肝HSC/MPP类群中，gata1a、tal1、foxo3等转录因子，以及与红系分化和止血相关的基因（如KLF1、AHSP、ITGA2B、SERPINE2）均显著上调。同时，Ts21 HSC/MPP样本中，氧化应激相关基因（如ROS、FOXO3、SOD1、DUSP1、JUN和FOS）表达显著增加，且氧化应激引发了HSC/MPP的过度增殖，导致早期衰竭。

此外，研究团队还检测到线粒体功能障碍相关基因的显著上调。通过追踪线粒体中的ROS水平，发现Ts21 CD34+CD38+细胞较正常二倍体祖细胞具有更高的线粒体质量和mtROS水平，进一步验证了Ts21样本中的氧化应激现象。

为深入探讨不同细胞类型的丰度变化是否与Ts21患者调控网络的重塑有关，研究团队通过scATAC-seq和snRNA-seq数据推断出Ts21和二倍体样本中的髓系细胞谱系轨迹，并估算了每个HSC转化为不同谱系的可能性。结果显示，Ts21 HSC表现出较强的红系-巨核谱系偏向，进一步证实Ts21 HSC在分子和表观遗传水平上展现出独特的调控特征，可能是其红系分化偏向的潜在驱动力。

在研究调控网络和基因表达的关系时，团队分析了Ts21和二倍体样本中不同细胞类型中的特异性调控元件，发现Ts21 HSCs中富集了与红细胞偏向相关的增强子，尤其在分支2（以红系偏向为主）中。进一步分析表明，这些与红系相关的GWAS SNPs在Ts21 HSC中的表达显著提高，如变异位点rs2075672与TFR2基因表达高度相关，且在Ts21样本中显著上调。通过对类红细胞模型中TFR2基因过表达的实验验证，发现TFR2可促进红细胞成熟标记物CD235的表达。研究表明，在Ts21样本中，非编码元件与基因的相互作用被重塑，可能显著影响HSC的造血过程。

为验证Ts21 HSCs的红系偏向是否可在体外重现，研究团队将分离出的二倍体和三倍体HSC/MPP细胞分别培养在96孔板中，并在两周后进行分析。通过流式细胞术，团队对比了二倍体和Ts21样本在红系、巨核系、髓系和淋巴系谱系分布的差异，发现尽管单一或多谱系集落比例相似，但Ts21样本表现出显著的红系和巨核系偏向。尤其在体外培养出的最大集落中，Ts21样本中73.9%为红系细胞输出，而二倍体样本中仅为50%。此外，Ts21 HSCs的总细胞数显著高于二倍体集落（P=1.3×10^-3），进一步支持了Ts21样本红系偏向的结论。

研究结果表明，Ts21 HSC在体外和体内均表现出独特的红系和巨核系偏向，并且这种偏向在增殖活跃的HSC中尤为明显。研究提供了新的分子证据，揭示Ts21 HSC中染色质可及性和基因表达的全局性重塑，可能是唐氏综合症患者早期血液异常的根本原因。

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