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.2018年9月20日；16（9）：e2003389。
doi:10.1371/journal.pbio.2003389。 eCollection 2018年9月。

衰老改变HSC分裂的表观遗传不对称性

M Carolina Florian女士 1, 马库斯·克洛泽 2, 穆罕默德·萨科马 1, 杰琳娜·贾布拉诺维奇 三, 卢克·克努森 1, Kalpana J Nattamai公司 4, 吉娜·马卡 1, 安吉丽卡·沃尔默 1, 卡林·索勒 1, 瓦迪姆·萨克 1, 尼娜·卡贝扎斯·沃尔舍伊德 三, Yi Zheng（易正） 4, 梅德妮·A·穆洛 5, 英格玛-格拉奇 2, 哈特穆特·盖革 1 4
附属公司

衰老改变HSC分裂的表观遗传不对称性

M Carolina Florian女士等人。 公共科学图书馆生物. .

摘要

造血干细胞（HSC）平衡自我更新和分化以维持体内平衡。随着年龄的增长，极性HSC的频率降低。HSC中的细胞极性由小RhoGTPase细胞分裂控制蛋白42（Cdc42）的活性控制。在这里，我们展示了一套完整的成对子细胞分析，包括单细胞3D共聚焦成像、单细胞移植、单细胞RNA-seq和单细胞转座酶可及染色质测序（ATAC-seq），HSC分裂的结果与有丝分裂前的极性状态密切相关，这又取决于干细胞中Cdc42的活性水平。老年非极性造血干细胞优先进行自我更新的对称分裂，导致子代干细胞再生能力和淋巴潜能降低，而年轻极性造血细胞优先进行不对称分裂。结合实验数据的数学建模表明，Cdc42的不对称分选在通过表观遗传机制确定子细胞的潜能方面具有机械作用。因此，控制HSC极性的分子可能是干细胞分裂模式的调节剂，调节子细胞的潜能。

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数字

图1
图1。年轻和老年CASIN处理的HSC将Cdc42不对称地分配给子细胞，而老年和年轻Wnt5a处理的HSCs将其对称分配。
（A） 选通策略和实验装置的示意图（图形来源：https://www.servier.de/medical-art网站和https://openclipart.org网站/). （B） 随时间划分的HSC百分比（第一：第一分区；第二：第二分区）。还绘制了死亡细胞的百分比（用†表示）。（C） 代表性共焦单体z（z）-烟囱（中央xy公司平面；i–iii），二维xy公司所有平面投影z（z）-堆栈（iv），Cdc42信号的三维重建重叠在所有z（z）-3D Cdc42重建信号（vi–viii）的堆叠、（v）和旋转，用于区分（末期）年轻人、老年人、用CASIN 5μM处理的老年人和用Wnt5a 100 ng/mL HSC处理的年轻人。面板显示DAPI（细胞核，蓝色）、Cdc42（洋红色）和微管蛋白（绿色）。（D） 子细胞中Cdc42（量化为荧光信号的体积）量的比值百分比（较高量高于较低量）。每个点代表一对。分析只考虑了末期和后期。卡通描绘了根据3D共焦显微镜分析的遗传蛋白质量对对称和非对称分裂的评分*第页< 0.05, **第页< 0.01, ***第页< 0.001;n个=2-3个生物重复；年轻25对，老年26对，老年+CASIN 26对，年轻+Wnt5a 14对。S1数据中提供了该图所基于的主要数据。CASIN、Cdc42活性特异性抑制剂；Cdc42，细胞分裂控制蛋白42；Ctrl，控制；造血干细胞。
图2
图2。青年和老年CASIN处理的HSC将H4K16ac不对称分配给子细胞，而老年和青年Wnt5a处理的HSCs将其对称分配。
（A） 代表性共焦单z（z）-烟囱（中央xy公司平面[i–ii]），2Dxy公司所有平面投影z（z）-叠加（iv），H4K16ac信号的三维重建重叠在所有z（z）-3D H4K16ac重建信号（vi–viii）的堆叠（v）和旋转，用于区分（末期）年轻人、老年人、用CASIN 5μM处理的老年人和用Wnt5a 100 ng/mL HSC处理的年轻人。面板显示DAPI（细胞核，蓝色）、H4K16ac（洋红色）和微管蛋白（绿色）。（B） ，子细胞中H4K16ac比率（量化为荧光信号的体积）的百分比（较高的量高于较低的量）。每个点代表一对。分析只考虑了结束语和后期回指*第页< 0.05, **第页< 0.01, ***第页< 0.001;n个=2-3个生物重复；41对年轻人，37对老年人，40对老年人+CASIN，26对年轻人+Wnt5a。（C–F）饼图，基于子细胞中Cdc42的量，描绘了每个样本中不对称/对称分裂的频率。比率等于或低于75%的任何除法（见图1D中的卡通图）都被认为是不对称的。S1数据中提供了该图所基于的主要数据。CASIN、Cdc42活性特异性抑制剂；Cdc42，细胞分裂控制蛋白42；Ctr，对照；造血干细胞。
图3
图3。极性是非对称细胞分裂的主要驱动因素，Cdc42分配预测了其潜力。
（A） 白色/灰色饼图显示了分别在年轻、老年、Wnt5a处理的年轻和CASIN处理的老年HSC样本中观察到的极性与非极性HSC的比率[15,16]。绿色饼图显示了各个细胞群的观察分裂模式（见图2C-2E）。中间面板描述了电池极性状态和分裂模式之间的可能连接（箭头）。最大似然法在简单过渡模型（带d日一极性HSC经历非对称分裂模式的概率d日秒非极性HSC经历对称分裂模式的概率）允许估计d日一和d日秒从而支持了以下观点：实心箭头代表最突出的选择。（B） 分岔图说明了微分开关。对于的某些参数值k个c（c），总Cdc42浓度的ODEc（c）总数(t吨)允许两种稳定的稳态：（I）总Cdc42高表达（与HSC状态相关）和（II）总Cdc42低表达（与祖细胞状态相关）。（C，D）具有两个稳定状态（两个“谷”，代表HSC和祖细胞）的总Cdc42浓度的伪势（“茎势”）景观。对于经历非对称细胞分裂的HSC（面板C中的蓝线），一个子代接受较低的Cdc42浓度（“通过山”）并进入祖细胞状态（虚线箭头），而另一个子代保留干细胞状态。接受对称分割的HSC的女儿（面板D中的蓝线）保持其形态。（E） 小组分别总结了年轻和老年HSC人群的机械模型结果（红框）。右侧的饼图显示了分别来自年轻和老年HSC分裂群体的结果细胞类型（HSC与祖细胞）的预测比率。S1数据中提供了该图所基于的主要数据。CASIN、Cdc42活性特异性抑制剂；Cdc42，细胞分裂控制蛋白42；造血干细胞；常微分方程。
图4
图4。恢复老化HSC分裂的不对称性可恢复子干细胞的功能。
（A） 实验装置的示意图（图形来源：https://www.servier.de/medical-art网站和https://openclipart.org网站/). （B） 基于单个子细胞对PB的贡献的代表性不对称和对称分裂。将每个单个子细胞注射到1只受体小鼠和供体衍生Ly5.1中+细胞（移植）B220+，CD3+和髓细胞（Gr1+，Mac1+和Gr1+Mac1电脑+)Ly5.1中的细胞+移植后4周、12周、16周和24周检测供者来源的细胞。（C） 根据单个子细胞对PB中重组的情况，绘制了青年、老年、用CASIN 5μM处理的老年和用Wnt5a 100 ng/mL HSC处理的青年的不对称和对称分裂百分比的饼图。n个=12对年轻HSC，n个=13对老化HSC，n个=8对经CASIN处理的老化HSC，以及n个=8对经Wnt5a处理的年轻HSC。（D–E）移植有单个（回顾性鉴定）子代干细胞的小鼠移植PB后4周和24周的供体衍生细胞百分比*第页<0.05。S1数据中提供了该图所基于的主要数据。CASIN、Cdc42活性特异性抑制剂；Cdc42，细胞分裂控制蛋白42；Ctr，对照；造血干细胞；PB，外周血。
图5
图5。单个子代干细胞的移植动力学和谱系贡献。
（A） 整个移植供体衍生细胞和每个供体衍生谱系（B细胞、T细胞和髓细胞）的嵌合动力学。所示为年轻人、老年人、接受CASIN治疗的老年人和接受Wnt5a子代细胞治疗的年轻人，这些子代细胞经回顾性鉴定为子代干细胞。饼图显示了移植后24周PB中B细胞、T细胞和髓细胞的相对贡献。（B） 移植24周后受体小鼠PB中供体衍生B细胞、T细胞和髓细胞的百分比。n个= 9–22. 所示为年轻人、老年人、接受CASIN治疗的老年人和接受Wnt5a子代细胞治疗的年轻人，这些子代细胞经回顾性鉴定为子代干细胞*第页<0.05。S1数据中提供了该图所基于的主要数据。CASIN、Cdc42活性特异性抑制剂；Cdc42，细胞分裂控制蛋白42；Ctr，对照；PB，外周血。
图6
图6。在老年动物的骨髓中发现成簇的HSC。
（A，B）一只年轻（A组）和一只老年（B组）小鼠的完整股骨的典型3D共焦照片。HSC用黄色箭头表示。面板B中的虚线突出显示集群HSC。血统标记CD41和CD48显示为白色；CD150呈红色，内皮细胞（静脉注射VE-Cadherin CD144和PECAM-1 CD31）呈洋红色。（C） 年轻和老年股骨HSC之间的距离。（D） 年轻和老年股骨中距离最近的HSC间隔20μm的HSC百分比。（E） 饼图描述了在年轻和老年小鼠中发现的成簇（2个或更多相邻的细胞）或单个细胞HSC的百分比。影像数据是指2只年轻和2只老年小鼠的27只年轻和14只老年纵向剃光全山截面；144名年轻HSC和394名老年HSC。（F，G）移植了年轻（A组）和老年（B组）RFP+HSC的年轻受体小鼠的完整股骨分析的代表性3D共焦照片。捐助者衍生的RFP+HSC用黄色箭头标记。血统标记CD41和CD48显示为白色，CD150显示为绿色，内皮细胞（静脉注射VE-Cadherin CD144和PECAM-1 CD31）显示为洋红色。所有供体或衍生细胞均为RFP+（红色）。（H） 供体衍生RFP+年轻受体小鼠股骨中年轻和老年HSC之间的距离。（一） 受体小鼠股骨中距离最近的供体衍生RFP+HSC间隔20μm的供体派生RFP+年轻和老年HSC的百分比。（J） 饼图描述了供体衍生的RFP+年轻和老年HSC在集群中（2个或更多相邻细胞）或在年轻受体小鼠股骨中作为单个细胞发现的百分比。影像数据是指来自2只年轻和2只老年小鼠的8只年轻和4只老年小鼠纵向剃光的全山截面；75名年轻HSC和108名老年HSC。S1数据中提供了该图所基于的主要数据。造血干细胞；四、 静脉注射；林，世系；RFP，红色荧光蛋白。
图7
图7。转录组并不反映子细胞的潜能。
（A） 用于制备年轻、老年、经CASIN治疗的老年和经Wnt5a HSC治疗的年轻女儿对的scRNA-seq文库的实验装置示意图（图形来源：https://www.servier.de/medical-art网站和https://openclipart.org/)（B）基于BGA的单个子细胞对分裂后全局表达谱的对应。共有25-28对年轻人，31-39对老年人，19-23对经CASIN治疗的老年人，18-18对经Wnt5a治疗的年轻HSC；n个=3-5个生物重复。（C） GSEA的典型雷达图显示了1个相似和1个不同的子对。该分析方法同时询问了13个先前发布的HSC和极性特征，每个子细胞对都在雷达图中描绘，图中的顶点对应于每个考虑的基因集。然后通过对所有显著基因集的拟合优度检验来比较配对的相似性/不相似性的显著性。（D） 饼图描绘了基于GSEA的年轻、老年、用CASIN处理的老年和用Wnt5a子细胞对处理的年轻的不对称和对称分裂的百分比。（E） 1对一致和1对不一致子对的整个scRNA-seq转录组的代表性3D-SOM分析。（F） 基于3D-SOM元基因分析，饼图描绘了年轻人、老年人、接受CASIN治疗的老年人和接受Wnt5a子细胞对治疗的年轻人不对称和对称分裂的百分比。为了量化子对的SOM之间的相似程度，我们鉴定了与平均全局表达谱相比显示出统计学显著对数倍变化的基因（即元基因，对应于图E中所示的3D图中的山丘和山谷）。然后利用这些信息比较子对并识别一致的基因，即显示相同变化方向的基因。最后，我们比较了一致基因与不一致基因的比率，并计算了QCR。然后，根据QCR值的大小和方向，将每对确定为一致或不一致（使用蒙特卡罗模拟测试显著性）。（G） 维恩图显示上调基因的差异基因表达分析。（H） 基于134个基因在年轻和老年CASIN治疗臂的子细胞中上调，但在老年HSC和年轻Wnt5a治疗臂的个子细胞中未上调，绘制了年轻、老年、接受CASIN治疗的老年和接受Wnt5a子细胞对治疗的年轻人的不对称和对称分裂百分比的饼图。（一） 条形图显示了年轻和老年CASIN处理的子对中134个上调基因的生物过程中的折叠富集，但在老年HSC和年轻Wnt5a处理的子对中没有，在年轻和老年CASIN处理的女儿对中6个下调基因的折叠富集但在老年的HSC和青年Wnt5a处理的子组中没有。生物过程的GO分析是用Panther 11.0版完成的。该图所依据的主要数据见GEO GSE116712。BGA，组间分析；CASIN、cdc42活性特异性抑制剂；cdc42，细胞分裂控制蛋白42；GO，基因本体；GSEA，基因集富集分析；造血干细胞；QCR，象限计数比；scRNA-seq，单细胞RNA测序；SOM，自组织映射。
图8
图8。子细胞上的scATAC-seq显示年轻HSC的不对称分裂，而老年HSC主要经历对称分裂。
（A） 从年轻和老年子细胞对制备scATAC-seq库的实验装置示意图。图形来源：https://www.servier.de/medical-art网站和https://openclipart.org/.（B）年轻（绿色）和老年（蓝色）细胞中子对峰值数的比率。对于每一对，比率已根据该对中映射读数的比率进行了调整（未调整的比率如S11C图所示）。比率为1表示给定对中相等数量的峰值。右侧面板表示峰值计数比率的分布。（C） 基于子细胞的scATAC-seq分析，描绘年轻和老年HSC不对称和对称分裂百分比的饼图（统计数据另见S8表）。对于那些我们有足够数量的峰的对，用于对零假设的重新洗牌模拟测试，即一对中的细胞在相同的基因组位置上显示相同的峰值计数（S8表中的第V列），不对称分配基于无重叠的显著性和峰值计数的比率（作为整体染色质可及性的度量）大于2（S8表中的P列）。（D） 基于13个公布的“干度”特征的雷达图。基于超几何测试（调整后）显示显著富集的特征第页<0.05）用红色和蓝色阴影表示给定对中的2个细胞。未超出阴影灰色中心的签名被视为不重要（每个特定签名的参考参见S14图）。（E） 基于饼图的“Stemness”富集分析显示了年轻和老年HSC对称和不对称分裂的频率。使用拟合优度卡方检验来评估一对细胞中细胞之间的显著性匹配，以将细胞分配为对称或不对称。（F） 描述年轻HSC的不对称（左侧面板；峰值计数的显著差异）和对称（右侧面板；可比较的峰值计数）子细胞对的维恩图示例，基于峰值计数（比率）的差异作为染色质可及性的度量。对于对称分裂的HSC，两个子细胞都被视为子干细胞（由我们的sc-移植数据支持）。对于不对称分裂的HSC，具有较低峰值计数（较低染色质可及性）的子细胞被认为是子干细胞，而另一个子细胞被分配给子祖细胞（即，不是干细胞）组。（G，H）子代祖细胞接受反应组GO分析。图中显示了年轻（G组）和老年（H组）子代祖细胞中最常显著富集的GO。（I，J）子代干细胞接受Reactome GO分析。图中显示了年轻（G组）和老年（H组）子干细胞中最常显著富集的GO。该图所依据的主要数据见GEO GSE116712。A、 不对称；GO，基因本体；造血干细胞；S、 对称；scATAC-seq，单细胞转座酶可获得染色质测序。
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    1. Giebel B.人类造血干细胞和祖细胞内的细胞极性和不对称细胞分裂。细胞组织器官。2008;188(1–2):116–26. 10.1159/000112842 .-内政部-公共医学
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