表观谱系追踪

1. 技术原理

(1) 表观突变（Epimutation）作为谱系标记

DNA甲基化动态变化：在细胞分裂过程中，DNA甲基化（CpG位点的甲基化状态）会发生随机改变，这些变化称为表观突变，其发生频率约为 0.001/CpG位点/分裂，远高于基因组突变率。  

克隆特异性甲基化模式：同一祖细胞的子代细胞会共享相似的甲基化模式，而不同谱系的细胞则表现出差异，因此可用于重建细胞分化路径。  

(2) MethylTree 计算模型

输入数据：单细胞全基因组DNA甲基化测序（scWGBS）数据。  

算法核心：  

细胞谱系树

利用已知谱系的基准数据集训练模型，识别甲基化变化的谱系相关性。  

通过贝叶斯推断或机器学习预测细胞间的发育关系。  

输出：细胞谱系树（类似系统发育树），显示不同细胞群体的共同祖先及分化路径。  

2. 技术优势

与传统谱系追踪方法（如CRISPR条形码、体细胞突变分析）相比，表观谱系追踪具有核心优势： 

非侵入性：适用于人类研究，无需基因操作。  

高分辨率：可检测短时间尺度（如几天内）的细胞分化事件。  

多组学整合：可与单细胞转录组（scRNA-seq）、ATAC-seq联合分析，揭示细胞状态与谱系关系。  

3. 应用案例

(1) 造血系统研究

在小鼠血液中，MethylTree 成功鉴定出 250个造血干细胞（HSC）克隆，并重建了它们的分化层级。  

发现某些前体细胞在早期就表现出命运偏向（如倾向于生成髓系或淋系细胞）。  

(2) 人类胚胎发育

在人类胚胎四细胞阶段，甲基化分析显示某些细胞已表现出不同的表观遗传特征，预示后续分化方向。  

挑战了传统“早期胚胎细胞全能性”观点，支持早期命运决定理论。  

(3) 癌症克隆演化

可用于追踪肿瘤内不同亚克隆的起源，解析耐药性克隆的进化路径。  

相比基因组突变，表观突变能提供更高的时间分辨率，适用于短期治疗响应研究。  

4. 未来方向与挑战

未来优化

提高甲基化检测灵敏度（如低起始量样本）。  

结合AI预测：利用深度学习优化谱系推断算法。  

动态追踪：在活细胞中实时监测甲基化变化（目前依赖单次取样）。  

当前局限

表观突变的稳定性：甲基化可能受环境因素（如炎症、代谢）影响，需区分真正的谱系信号与噪声。  

计算复杂度：大数据集（如百万级单细胞）分析仍具挑战性。  

5. 总结

表观谱系追踪（尤其是 MethylTree）是首个无需基因编辑的高分辨率谱系分析技术，在人类发育、干细胞治疗、癌症进化等领域具有重大潜力。未来，结合单细胞多组学与AI，该技术可能成为细胞命运研究的金标准。