单细胞蛋白-转录组联合测序揭示人造血干细胞早期分化的调控机制

摘要

造血干细胞（HSC）的分化是一个精密调控的多阶段过程，传统单细胞转录组测序虽能解析细胞异质性，却难以反映蛋白水平的翻译后调控及功能状态。本研究通过建立高通量单细胞蛋白质组与转录组联合测序平台，对来自人类胎儿肝脏和骨髓的16,872个细胞进行并行检测，系统描绘了早期造血分化的双组学图谱。研究发现，蛋白与mRNA的表达存在显著非一致性，蛋白标志物能更早、更精准地界定谱系倾向与功能亚群。时序轨迹分析揭示蛋白表达变化滞后于mRNA，但在命运转折点识别上更具分辨率。该多组学整合策略为解析干细胞命运决定、亚型划分及分化动力学提供了全新视角。

一、引言

人类造血系统的早期分化涉及多能干细胞向各谱系前体细胞的逐步特化，是发育生物学与再生医学的核心研究领域。尽管单细胞RNA测序（scRNA-seq）已极大推动了该领域对细胞异质性和分化轨迹的认识，但mRNA水平并不能完全代表蛋白表达及功能状态。由于转录后调控、翻译效率及蛋白降解等因素，蛋白与转录本在不同细胞中的相关性有限。因此，仅依赖转录组信息难以精准刻画关键命运决策节点及功能亚型。为突破这一局限，本研究开发了大规模单细胞蛋白-转录组并行检测技术，旨在通过多组学整合，高分辨重构人类早期造血分化的分子动态与调控网络。

二、方法与技术平台

研究团队建立了一套高通量单细胞蛋白-转录组联合测序流程，同时捕获单个细胞中超过30种表面蛋白（通过抗体衍生标记）及全转录组信息。研究对象为人胎儿肝脏和骨髓来源的早期造血细胞，总计获得16,872个高质量单细胞的双组学数据。利用生物信息学方法，包括联合聚类、时序轨迹推断（如RNA velocity与蛋白动力学建模）以及调控网络重建，对数据进行了系统整合与分析。

三、结果

（一）蛋白-转录组联合聚类实现更高分辨的细胞亚群划分

通过联合分析蛋白与转录组数据，研究者能够清晰区分经典的HSC、多能祖细胞（MPP）以及红系、髓系、淋系、巨核系等主要谱系前体。与单一转录组聚类相比，整合蛋白信息后，早期“谱系倾向”亚群得以更精确识别。例如，部分细胞在蛋白水平已显示谱系偏倚，而mRNA层面尚未明显分化，提示蛋白在命运决定中起先行作用。

（二）蛋白-转录组非一致性揭示关键功能标志物

研究发现，多个关键调控因子（如CD49f、CD90）的蛋白与mRNA表达水平显著解耦。其中，在HSC亚群中，CD49f蛋白高表达的细胞具有更强的自我更新与分化潜能，而该异质性在转录组水平上无法区分。这证明蛋白标志物在识别功能亚型上具有独特优势。

（三）时序轨迹分析揭示分化动力学中的蛋白滞后与转折点

通过重建从HSC到各谱系的分化轨迹，研究显示蛋白表达变化整体滞后于mRNA，但其动力学曲线更为平滑，能够更敏感地捕获命运转折点。特别是在红系与巨核系分化过程中，蛋白表达的渐变模式清晰界定了关键决策窗口。结合调控网络分析，发现GATA1、KLF1等转录因子在蛋白水平的峰值出现与细胞命运选择高度相关。

（四）过渡状态细胞的分子特征

多组学整合首次捕获了少量处于连续分化状态中的过渡细胞，这些细胞具有独特的蛋白-转录本组合特征，填补了传统离散分群间的分子空白，丰富了造血早期分化连续性的认知。

四、讨论

本研究通过大规模单细胞蛋白-转录组并行测量，揭示了人类早期造血分化中广泛存在的蛋白-mRNA非一致性，并证实蛋白水平信息在亚群界定、功能异质性解析及分化转折点识别中具有不可替代的价值。该策略不仅弥补了单一组学维度的局限，也为理解干细胞命运决定的分子机制提供了新范式。研究结果表明，在细胞命运转变的关键节点，蛋白层面的调控可能先于或独立于转录变化，这对未来干细胞研究及再生医学应用具有重要指导意义。

五、结论

该研究成功建立了高通量单细胞蛋白-转录组联合分析技术，并系统绘制了人类早期造血分化的多组学图谱。通过多维度整合，精准刻画了造血干/祖细胞连续分化动力学、关键命运分界点及功能亚型特征。该工作为解析多能干细胞命运转换机制、血液疾病分子基础及开发新型诊断策略提供了重要方法和资源。