A new study in the journal Nature explains how age reshapes the blood system. In both humans and mice, a few stem cells, or “clones”, outcompete their neighbours and gradually take over blood production. The blood stem cell reservoir shrinks and becomes dominated by clones which show a preference for producing myeloid cells, immune cells linked to chronic inflammation.

The changes were detectable by age 50 and almost universal after age 60. The authors of the study suspect the loss of clone diversity could help explain ‘inflammaging’, the persistent chronic inflammation that emerges during ageing and which can make us more vulnerable to disease. The team observed the pattern in both mice and humans, suggesting the findings are a fundamental feature of blood ageing across species.

The work can lead to new strategies which spot early warning signs of unhealthy ageing long before symptoms appear, helping prevent diseases like acute myeloid leukaemia, heart disease or immune disorders. It also opens the door to studying the viability of rejuvenation therapies in humans, efforts which have traditionally been the focus of animal research.

“Our blood stem cells compete for survival. In youth, this competition produces a rich, diverse ecosystem while in old age, some drop out entirely. A few stem cells take over, and these work extra hard to compensate. This reduces diversity, which is bad for the blood system’s resilience. Diverse stem cells can respond to different stresses, so the dominance of a handful of clones makes the whole system more fragile,” says Dr. Lars Velten, Group Leader at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona and co-corresponding author of the study.

The scientists had to solve a long-standing technical challenge to make their discovery. In youth, humans have between 50,000 to 200,000 active blood stem cells which create between 100 to 200 billion new blood cells every day. Tracking every blood cell back to its original stem cell requires genetically modifying DNA. Until now, this has only been possible in animal research. In humans, this type of genetic engineering is neither practical nor ethical.

Instead, the team turned to epimutations. These are epigenetic changes in the chemical tags, also known as methylation marks, attached to DNA. The tags help cells know which genes to switch on or off. When a stem cell divides, methylation marks are copied to its daughter cells, leaving behind a permanent, natural ‘barcode’ that researchers can ‘scan’ or read to chart each cell’s position in the family tree.

“Our cells carry genetic alterations which collectively make us unique individuals. But we’re also a mosaic of epigenetic alterations. Groups of cells, even if they end up doing different jobs, carry shared methylation marks which tie them back to a common ancestor stem cell. We’ve been finally able to construct the epigenetic family tree by reading information written directly into the DNA of each cell,” says Dr. Alejo Rodriguez-Fraticelli, co-corresponding author of the study and Group Leader at IRB Barcelona.

The researchers developed a new technique called EPI-Clone which reads methylation barcodes from individual cells. It was built modifying Mission Bio’s single-cell sequencing platform Tapestri. They used it to reconstruct the history of blood production in both mice and humans, helping trace which stem cells contributed to making blood, and which had dropped out of the race over time.

“DNA methylation works like a kind of binary code. At each position in the genome, a site is either methylated or not, like a 1 or a 0," explains Dr. Michael Scherer, bioinformatician and co-first author of the study who led the work at the CRG and is now group leader at the German Cancer Research Center (DKFZ).

"This simple on-off information can be transformed into a natural barcode, one that each stem cell passes on to its descendants. Five years ago, I wouldn’t have thought this possible at single-cell resolution, across tens of thousands of cells. It’s been a huge leap forward in technology,” he adds.

In young blood, thousands of different stem cells contributed to a rich and diverse pool of red blood cells, white blood cells and platelets. But EPI-Clone revealed that in older mice, up to 70 percent of blood stem cells belonged to just a few dozen large clones.

The picture is similar in humans, though the exact percentage varied between the dozen healthy donors between 35 and 70 years old which formed part of the study. The study found that by age 50, many blood stems cells begin to drop out and larger clones begin to take over, while by age 60 and beyond, the shift becomes even more pronounced.

“The change from diversity to dominance isn’t random but clock-like,” says Indranil Singh, co-first author of the study who carried out the work at IRB Barcelona and is currently at the Broad Institute in the United States. “By age 50, you can already see it starting, and after 60 it becomes almost inevitable.”

The study also found that some large clones harboured mutations linked to clonal haematopoiesis (CH), a process where some blood stem cells acquire mutations that allow them to grow and multiply faster than others. The phenomenon becomes more common with age and has been shown to increase the risk of heart disease, stroke, and leukaemia. However, many of the dominant clones identified by EPI-Clone had no known mutations at all, suggesting that clonal expansion is a general feature of ageing blood, not just a sign of cancer risk.

The findings mean clinicians could one day assess clonal behaviour itself for early detection, offering doctors a way to monitor how a person’s blood stem cell pool is ageing years before any disease develops. People with faster loss of diversity, or rapid expansion of risky clones, could be flagged for preventive care.

The study also observed that in both older humans and mice, many of the dominant clones show a preference for producing myeloid cells. These are immune cells linked to chronic inflammation. Previous studies in mice have shown that selectively removing myeloid-biased stem cells can restore a younger profile of blood stem cells, boosting the production of infection-fighting lymphocytes and improving immune responses.

But to study rejuvenation therapies in humans, researchers would first need to identify which clones are problematic, something which has not been possible until now. EPI-Clone is suited for clinical research because it works with naturally-occurring barcodes rather than artificial labels which require genetic modification.

“If we want to move beyond generic anti-ageing treatments and into real precision medicine for ageing, this is exactly the kind of tool we need,” says Dr. Velten. “We can’t fix what we can’t see and for the first time, EPI-Clone can facilitate this for humans.”
“We have only shown what’s possible,” concludes Dr. Rodriguez-Fraticelli. “Now the goal is to refine EPI-Clone so it can boost clinical research efforts.”

The study was jointly led by a team at the Centre for Genomic Regulation (CRG) and the Institute for Research in Biomedicine (IRB Barcelona). It was funded by the European Haematology Association, the European Research Council, the Spanish Association Against Cancer (AECC), the “la Caixa” Foundation, the Spanish Ministry of Science and Technology and the Government of Catalonia.
 

EN CASTELLANO

“Códigos de barras” escritos en nuestro ADN revelan cómo envejece la sangre

A medida que envejecemos, el sistema sanguíneo se deteriora: la competencia entre las células madre que lo componen se desequilibra, alterando la producción de células sanguíneas y aumentando la vulnerabilidad a enfermedades.

Un nuevo estudio publicado hoy en la revista Nature por investigadores del Instituto de Investigación Biomédica (IRB Barcelona) y el Centro de Regulación Genómica (CRG) explica cómo la edad remodela el sistema sanguíneo. Tanto en humanos como en ratones, unas pocas células madre superan a sus vecinas y gradualmente toman el control de la producción de sangre. Este proceso conduce a la reducción de la diversidad de células madre sanguíneas y al predominio de aquellas que muestran preferencia por la producción de células mieloides, que son células inmunes vinculadas a la inflamación crónica.

Estos cambios ya son detectables a partir los 50 años y son casi universales a partir de los 60. Los autores del estudio sugieren que la pérdida de diversidad de clones podría ayudar a explicar el "inflammaging", la inflamación crónica persistente que surge durante el envejecimiento y que puede hacernos más vulnerables a distintas enfermedades.  El equipo observó este patrón tanto en ratones como en humanos, lo que sugiere que los hallazgos son una característica fundamental del envejecimiento de la sangre en todas las especies.

El hallazgo puede impulsar nuevas estrategias para detectar signos tempranos de envejecimiento no saludable mucho antes de que aparezcan los síntomas, ayudando así a prevenir enfermedades como la leucemia mieloide, la enfermedad cardiovascular, o los trastornos inmunitarios. También abre la puerta a estudiar la viabilidad de terapias que retrasen el envejecimiento en humanos, un ámbito que tradicionalmente se ha centrado en modelos animales.

“Nuestras células madre sanguíneas compiten por sobrevivir. En la juventud, esa competencia genera un ecosistema rico y diverso pero, en la vejez, algunas desaparecen por completo. Unas pocas células madre toman el relevo y trabajan el doble para compensar, lo que reduce la diversidad y debilita la resiliencia del sistema sanguíneo. Las células madre diversas pueden responder a diferentes tensiones, por lo que el predominio de un puñado de clones hace que todo el sistema sea más frágil”, explica el Dr. Lars Velten, jefe de grupo en el Centro de Regulación Genómica (CRG) en Barcelona que ha co-liderado del estudio.

En los jóvenes, hay entre 50.000 y 200.000 células madre sanguíneas activas que producen de 100 a 200 mil millones de células nuevas cada día. Rastrear cada célula sanguínea hasta su célula madre original hasta ahora ha sido solo posible en modelos animales para los que hay que modificar genéticamente el ADN, algo inviable y poco ético en humanos.

El equipo recurrió a las epimutaciones: cambios en las marcas químicas (metilaciones) que se adhieren al ADN y le indican a la célula qué genes activar o silenciar. Cuando una célula madre se divide, estas marcas se copian en las células hijas, dejando un “código de barras” permanente que los investigadores pueden leer para reconstruir el árbol genealógico celular.

“Nuestras células portan cambios genéticos que colectivamente nos hacen individuos únicos. Pero dentro de cada individuo, llevamos también un mosaico de alteraciones genéticas y epigenéticas. Estas alteraciones se heredan dentro de cada familia de células que, aunque acaben realizando diferentes funciones, comparten las marcas que las vid nculan a una célula ma re ancestral común. Por fin hemos podido construir el árbol genealógico epigenético leyendo la información escrita directamente en el ADN de cada célula”, comenta el Dr. Alejo Rodríguez-Fraticelli, investigador ICREA del IRB Barcelona y co-autor correspondiente del estudio.

Para hacer frente a este reto, los investigadores han desarrollado una técnica llamada EPI-Clone, que lee estos códigos de barras de metilación en cada célula basándose en la plataforma Tapestri de Mission Bio para secuenciación de células individuales. Con ella reconstruyeron la historia de la producción sanguínea en ratones y humanos, identificando qué células madre contribuyen a la sangre y cuáles van abandonando la carrera a lo largo del tiempo.

“La metilación del ADN funciona como un código binario: cada sitio del genoma está metilado o no, como un 1 o un 0”, explica el Dr. Michael Scherer, bioinformático y co-primer autor del trabajo en el CRG, ahora jefe de grupo en el Centro Alemán de Investigación del Cáncer (DKFZ).  "Esta sencilla información de encendido y apagado puede transformarse en un código de barras natural, uno que cada célula madre transmite a sus descendientes. Hace cinco años, no habría creído esto posible con una resolución unicelular, en decenas de miles de células. Ha sido un gran salto adelante en la tecnología", añade.

En la sangre joven, miles de células madre diferentes contribuyen a un conjunto rico y diverso de glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas.  Sin embargo, EPI-Clone reveló que en ratones de edad avanzada, hasta el 70% de las células madre sanguíneas pertenecían a sólo unas pocas docenas de grandes clones.

La situación es similar en los humanos, aunque el porcentaje exacto variaba entre la docena de donantes sanos de entre 35 y 70 años que participaron en el estudio.  El estudio reveló que, a partir de los 50 años, muchas células madre sanguíneas empiezan a desaparecer y los clones más grandes empiezan a tomar el control. A partir de los 60 años, el cambio se hace aún más pronunciado.  

“El paso de la diversidad al predominio de unos pocos no es aleatorio, sino que sigue el ritmo como un reloj”, señala el Dr. Indranil Singh, co-primer autor e investigador del IRB Barcelona, ahora en el Broad Institute de Harvard y MIT. "A los 50 años, ya se puede ver que empieza, y después de los 60, parece casi inevitable”.

El estudio también descubrió que algunos clones grandes albergaban mutaciones relacionadas con la hematopoyesis clonal, un proceso en el que algunas células madre sanguíneas adquieren mutaciones que les permiten crecer y multiplicarse más rápido que otras. El fenómeno se vuelve más común con la edad y se ha demostrado que aumenta el riesgo de enfermedades cardíacas, accidentes cerebrovasculares y leucemia. Sin embargo, muchos de los clones dominantes identificados por EPI-Clone no tenían ninguna mutación conocida, lo que sugiere que la expansión clonal es una característica general del envejecimiento de la sangre, no sólo un signo de riesgo de cáncer.

Esto significa que, en el futuro, los médicos podrían algún día evaluar el comportamiento clonal en sí mismo para la detección temprana, ofreciendo a los médicos una forma de controlar cómo está envejeciendo el conjunto de células madre sanguíneas de una persona años antes de que se desarrolle cualquier enfermedad. Las personas con una pérdida más rápida de diversidad o una rápida expansión de clones de riesgo podrían ser señaladas para recibir atención preventiva.

El estudio también reveló que, tanto en humanos como en ratones de edad avanzada, muchos de los clones dominantes muestran preferencia por la producción de células mieloides. Estas son células inmunes relacionadas con la inflamación crónica. Estudios anteriores en ratones han demostrado que la eliminación selectiva de las células madre con sesgos mieloides puede aumentar la producción de linfocitos que combaten las infecciones y mejorar las respuestas inmunitarias.

Sin embargo, para estudiar las terapias de anti-envejecimiento en humanos, los investigadores primero tendrían que identificar qué clones son problemáticos, algo que no ha sido posible hasta ahora. EPI-Clone es adecuado para la investigación clínica porque funciona con códigos de barras naturales en lugar de etiquetas artificiales que requieren modificación genética.

"Si queremos pasar de los tratamientos genéricos anti-envejecimiento a la verdadera medicina de precisión para el envejecimiento, esta es exactamente la herramienta que necesitamos", afirma el Dr. Velten. "No podemos arreglar lo que no podemos ver y, por primera vez, EPI-Clone puede facilitar esto para los humanos".

"Sólo hemos demostrado lo que es posible", concluye el Dr. Rodriguez-Fraticelli. "Ahora el objetivo es perfeccionar EPI-Clone para que pueda impulsar los esfuerzos de la investigación clínica".  

El estudio ha sido liderado por equipos del Centro de Regulación Genómica (CRG) y el Instituto de investigación Biomédica (IRB Barcelona). Ha recibido  financiación de la Asociación Española Contra el Cáncer, CRIS contra el cancer, el European Research Council (ERC), la Asociación Europea de Hematología, la Fundación “la Caixa”, el Ministerio Español de Ciencia y Tecnología, y la Generalitat de Catalunya, a través de CERCA.
 

EN CATALÀ

“Codis de barres” escrits en el nostre ADN revelen com envelleix la sang

A mesura que envellim, el sistema sanguini es deteriora: la competència entre les cèl·lules mare que el componen es desequilibra, alterant la producció de cèl·lules sanguínies i augmentant la vulnerabilitat a malalties.

Un nou estudi publicat avui a la revista Nature per investigadors de l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB Barcelona) i el Centre de Regulació Genòmica (CRG) explica com l’edat remodela el sistema sanguini. Tant en humans com en ratolins, unes poques cèl·lules mare superen les seves veïnes i prenen gradualment el control de la producció sanguínia. Aquest procés condueix a una reducció de la diversitat de cèl·lules mare i al predomini d’aquelles que afavoreixen la producció de cèl·lules mieloides, un tipus de cèl·lula immune associada a la inflamació crònica.

Aquests canvis ja es poden detectar a partir dels 50 anys i són gairebé universals a partir dels 60. Els autors de l’estudi suggereixen que la pèrdua de diversitat clonal podria ajudar a explicar l’“inflammaging”, una inflamació crònica persistent que apareix amb l’edat i que pot fer-nos més vulnerables a diverses malalties. L’equip va observar aquest patró tant en ratolins com en humans, fet que indica que es tracta d’una característica fonamental de l’envelliment sanguini en totes les espècies.

Aquesta troballa podria impulsar noves estratègies per detectar senyals precoços d’envelliment no saludable molt abans de l’aparició dels símptomes, ajudant a prevenir malalties com la leucèmia mieloide, les malalties cardiovasculars o els trastorns immunitaris. També obre la porta a estudiar la viabilitat de teràpies per retardar l’envelliment en humans, un àmbit que fins ara s’ha centrat en models animals.

“Les nostres cèl·lules mare sanguínies competeixen per sobreviure. Durant la joventut, aquesta competència crea un ecosistema ric i divers, però amb l’edat, algunes desapareixen completament. Unes poques prenen el relleu i treballen el doble per compensar, cosa que redueix la diversitat i debilita la resiliència del sistema sanguini. La diversitat cel·lular permet respondre a diferents tensions, així que el predomini d’uns pocs clones fa tot el sistema més fràgil”, explica el Dr. Lars Velten, cap de grup al CRG, qui ha co-liderat l’estudi.

En persones joves, hi ha entre 50.000 i 200.000 cèl·lules mare actives que produeixen entre 100.000 i 200.000 milions de cèl·lules noves cada dia. Rastrejar cada cèl·lula sanguínia fins a la seva cèl·lula mare d’origen només era possible fins ara en models animals amb modificacions genètiques, una opció inviable i poc ètica en humans.

L’equip va recórrer a les epimutacions: canvis en les marques químiques (metilacions) que s’adhereixen a l’ADN i indiquen a la cèl·lula quins gens activar o silenciar. Quan una cèl·lula mare es divideix, aquestes marques es copien a les cèl·lules filles, deixant un “codi de barres” permanent que els investigadors poden llegir per reconstruir l’arbre genealògic cel·lular.

“Les nostres cèl·lules porten canvis genètics que ens fan únics com a individus. Però dins de cada persona hi ha també un mosaic d’alteracions genètiques i epigenètiques. Aquestes alteracions es transmeten dins de cada família cel·lular, que pot acabar exercint funcions diferents, però comparteix marques que la vinculen a una cèl·lula mare comuna. Per fi hem pogut construir l’arbre genealògic epigenètic llegint la informació escrita directament a l’ADN de cada cèl·lula”, comenta el Dr. Alejo Rodríguez-Fraticelli, investigador ICREA a l’IRB Barcelona i coautor corresponent de l’estudi.

Per abordar aquest repte, els investigadors han desenvolupat una tècnica anomenada EPI-Clone, que llegeix els codis de barres de metilació a cada cèl·lula utilitzant la plataforma Tapestri de Mission Bio per a la seqüenciació unicel·lular. Amb aquesta eina van reconstruir la història de la producció sanguínia en ratolins i humans, identificant quines cèl·lules mare contribueixen a la sang i quines abandonen la competència amb el temps.

“La metilació de l’ADN funciona com un codi binari: cada punt del genoma està metilat o no, com un 1 o un 0”, explica el Dr. Michael Scherer, bioinformàtic i co-primer autor del treball al CRG, ara cap de grup al Centre Alemany de Recerca contra el Càncer (DKFZ). “Aquesta informació bàsica d’encesa i apagat es pot transformar en un codi de barres natural que cada cèl·lula mare transmet als seus descendents. Fa cinc anys, no hauria pensat que això fos possible amb resolució unicel·lular, en desenes de milers de cèl·lules. Ha estat un gran salt tecnològic”, afegeix.

En la sang jove, milers de cèl·lules mare diferents contribueixen a un conjunt ric i divers de glòbuls vermells, blancs i plaquetes. No obstant això, EPI-Clone va revelar que en ratolins d’edat avançada, fins al 70% de les cèl·lules mare pertanyien només a unes poques dotzenes de grans clones.

La situació és similar en humans, tot i que el percentatge exacte variava entre la dotzena de donants sans d’entre 35 i 70 anys que van participar en l’estudi. L’estudi va revelar que, a partir dels 50 anys, moltes cèl·lules mare comencen a desaparèixer i els grans clones comencen a dominar. A partir dels 60, el canvi es fa encara més marcat.

“El pas de la diversitat al predomini d’uns pocs no és aleatori, sinó que segueix un ritme com un rellotge”, assenyala el Dr. Indranil Singh, co-primer autor i investigador a l’IRB Barcelona, ara al Broad Institute de Harvard i el MIT. “Als 50 anys ja es pot veure com comença, i després dels 60, sembla gairebé inevitable”.

L’estudi també va descobrir que alguns grans clones contenien mutacions relacionades amb l’hematopoesi clonal, un procés en què algunes cèl·lules mare adquireixen mutacions que els permeten créixer i multiplicar-se més ràpidament. Aquest fenomen esdevé més comú amb l’edat i s’ha relacionat amb un major risc de patir malalties cardiovasculars, ictus o leucèmia. Tot i això, molts dels clones dominants identificats per EPI-Clone no tenien mutacions conegudes, la qual cosa suggereix que l’expansió clonal és una característica general de l’envelliment sanguini i no només un signe de risc de càncer.

Això implica que en el futur els metges podrien avaluar el comportament clonal com a eina de detecció precoç, permetent controlar com envelleix el conjunt de cèl·lules mare sanguínies d’una persona anys abans que apareguin malalties. Les persones amb una pèrdua accelerada de diversitat o una expansió ràpida de clones de risc podrien ser identificades per a seguiment o intervenció preventiva.

L’estudi també va revelar que molts dels clones dominants en humans i ratolins grans tendeixen a produir més cèl·lules mieloides, relacionades amb la inflamació crònica. Estudis previs en ratolins han demostrat que eliminar selectivament les cèl·lules mare amb biaix mieloide pot afavorir la producció de limfòcits que combaten infeccions i millorar la resposta immunitària.

Però per explorar teràpies anti-envelliment en humans, primer cal identificar quins clones són problemàtics, cosa que fins ara no era possible. EPI-Clone és adequat per a la recerca clínica perquè utilitza codis de barres naturals en lloc d’etiquetes artificials que requereixen modificació genètica.

“Si volem passar de tractaments genèrics anti-envelliment a medicina de precisió per a l’envelliment, aquesta és exactament l’eina que necessitem”, afirma el Dr. Velten. “No podem arreglar el que no podem veure, i per primera vegada, EPI-Clone ho fa possible en humans.”

“Només hem demostrat el que és possible”, conclou el Dr. Rodríguez-Fraticelli. “Ara el repte és perfeccionar EPI-Clone perquè pugui impulsar la recerca clínica.”

L’estudi ha estat liderat per equips del Centre de Regulació Genòmica (CRG) i l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB Barcelona). Ha rebut finançament de l’Associació Contra el Càncer, CRIS contra el cáncer, l’European Research Council (ERC), l’Associació Europea d’Hematologia, la Fundació “la Caixa”, el Ministeri de Ciència i Tecnologia espanyol, i la Generalitat de Catalunya, a través de CERCA.