Cell Stem Cell | 程涛/韦俊/程辉团队利用高通量单细胞扰动技术解析人造血干祖细胞命运决定因子

造血干细胞（hematopoietic stem cell，HSC）通过自我更新和多谱系分化，持续产生机体所需的各类血液及免疫细胞【1】。表观遗传调控因子通过改变染色质状态和基因表达程序，在维持HSC功能及调控谱系分化过程中发挥重要作用。然而，现有研究主要依赖单基因研究、群体水平遗传筛选以及单细胞分子图谱【2-4】，难以直接回答“特定基因的改变究竟会把细胞推向何种状态”这一因果问题。因此，如何在原代人造血干祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cells，HSPCs）中大规模建立“遗传扰动—转录响应—细胞状态—功能表型”之间的因果联系，一直是理解人类造血命运调控及其疾病异常的重要一步。

2026年10月13日，中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛、韦俊、程辉团队在Cell Stem Cell上发表了题为Single-cell CRISPR screen maps epigenetic regulators of lineage specification and malignancies in human HSPCs的研究论文。研究团队在原代人HSPCs中建立了可扩展的大规模单细胞CRISPR（single-cell CRISPR，scCRISPR）筛选体系，将数百个表观遗传调控因子的遗传扰动与单细胞转录状态直接关联，构建了覆盖322个调控因子、172,382个单扰动细胞的功能网络。这项研究的价值不仅在于获得大规模数据，更在于借助系统性遗传扰动，将以往以相关性描述为主的细胞图谱推进为可检验基因功能及调控关系的因果框架，并进一步把正常造血调控与白血病潜在依赖机制联系起来。

研究团队进一步建立了连接322个调控因子与2,519个下游响应基因的调控网络，分别将其被归纳为9个扰动簇（perturbation clusters，PC0–PC8）以及12个共调控基因程序（gene programs，GP0–GP11），涉及长期造血重建、不同谱系分化、能量代谢及细胞周期等生物学过程。不同调控因子通过协同或拮抗作用影响下游基因程序，提示造血命运并非由孤立的单基因决定，而是受到模块化调控网络的共同塑造。

在HSC功能研究中，团队发现扰动簇PC0富集于敲除后HSC/MPP状态增加的候选因子。其中，组蛋白甲基转移相关因子SMYD3缺失可增加体外培养中原始CD34+细胞比例，并增强克隆形成能力。进一步结合scATAC-seq和CUT&Tag分析发现，SMYD3缺失伴随包括JUN、SNAI2等位点在内的染色质可及性及H3K4me3状态改变。异种移植及二次移植实验进一步显示，SMYD3缺失的人HSPCs具有更强的长期造血重建能力。这些结果支持SMYD3是限制人HSPCs长期重建能力的负向调控因子之一。

除此之外，该功能图谱还能够精细识别与不同造血谱系输出相关的调控因子，并分别在髓系和巨核-红系分支中筛选候选因子，发现KMT5B缺失促进单核细胞输出，TRIM24缺失促进粒细胞输出，SETD7缺失促进红系细胞输出，NSD3缺失则促进巨核细胞产生。结合体外分化、异种移植以及表观遗传组学进行功能验证，进一步揭示了多个调控因子与特定谱系分化及其相关染色质变化之间的联系，体现了该平台系统解析造血谱系调控的能力。

最后，研究团队进一步探索了这一正常造血功能图谱在血液恶性疾病研究中的应用潜力。通过整合单细胞扰动数据与髓系白血病GWAS数据，并结合MAGMA和单细胞疾病相关性评分（scDRS）分析，研究筛选出候选因子PRDM10。功能实验显示，敲除PRDM10可抑制AML细胞生长、增加凋亡、削弱克隆形成能力，并延长异种移植小鼠的生存期。进一步结合DepMap、多种AML亚型细胞系、RNA-seq以及PRDM10 CUT&Tag分析，发现其功能与细胞周期和DNA复制程序密切相关；体内极限稀释实验显示，其缺失使白血病起始细胞频率由对照组约1/19,729降至1/373,608。这些结果提示PRDM10可能是AML中的适应性依赖因子，为进一步揭示白血病细胞的关键依赖机制及潜在治疗靶点提供了重要线索。

综上，该研究聚焦两个互相关联的科学问题：人HSPCs的自我更新及谱系分化由哪些调控因子及协同网络决定？这些正常调控机制如何协助识别白血病细胞的潜在依赖环节？研究在原代人HSPCs中建立了一个大规模、可扩展的单细胞CRISPR功能筛选平台，系统连接了表观遗传因子的遗传扰动、下游转录程序和细胞状态变化，从大规模扰动数据中提炼出“扰动簇—基因程序”的模块化调控框架；通过SMYD3及多种谱系调控因子的功能验证，解析了与长期造血重建和谱系偏向性输出相关的调控环节；进一步将该图谱用于发现并验证AML候选依赖因子PRDM10。在此基础上，研究实现了从功能图谱构建—调控规律发现—干细胞及谱系功能验证—疾病依赖因子挖掘的完整研究链条，为系统解析原代人干细胞的功能调控网络提供了新的研究范式，也为进一步发现造血再生调控因子及白血病潜在依赖机制提供了可验证的靶点。

中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）程涛教授、韦俊研究员和程辉研究员是这项工作的共同通讯作者。中国医学科学院血液病医院（中国医学科学院血液学研究所）袁诗如博士、杨尚达副研究员、黄耀瑾博士及马宝伟研究助理为本文共同第一作者。

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(26)00347-4

制版人： 十一

参考文献

1. Orkin, S.H. & Zon, L.I. Hematopoiesis: an evolving paradigm for stem cell biology. Cell 132, 631–644 (2008).

2. Shi, H., Doench, J.G. & Chi, H. CRISPR screens for functional interrogation of immunity. Nat Rev Immunol 23, 363–380 (2023).

3. Meyers, S., Demeyer, S. & Cools, J. CRISPR screening in hematology research: from bulk to single-cell level. J Hematol Oncol 16, 107 (2023).

4. Martin-Rufino, J.D., et al. Transcription factor networks disproportionately enrich for heritability of blood cell phenotypes. Science 388, 52–59 (2025).

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