規(guī)模細胞重編程“地圖”上線

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來源：BioArt

2019-02-11

在努力將iPSC應用到臨床治療的同時，科學家也在不斷探索細胞重編程自身的奧秘: 成體細胞究竟是如何轉變?yōu)槎嗄芨杉毎?？在這一過程中細胞經歷了哪些譜系(cell lineage)的變化和命運的決定(cell fate determination)？

2012年諾貝爾生理或醫(yī)學獎授予了日本科學家山中伸彌 (Shinya Yamanaka) 和英國發(fā)育生物學家約翰-戈登 (John Gurdon), 以表彰他們在細胞核重新編程領域做出的杰出貢獻【1】。2006年，山中伸彌利用逆轉錄病毒將4個轉錄因子Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4導入小鼠的胚胎成纖維細胞 (mouse embryonic fibroblast, MEF)和尾尖成纖維細胞(tail-tip fibroblast, TTF)中，成功地將這兩類細胞轉化為可誘導的多能干細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)【2】。隨后山中伸彌等又實現了人類成纖維細胞 (human dermal fibroblasts, HDF) 到iPSC的重編程，并在體外將iPSC誘導分化為神經細胞和心肌細胞【3,4】。如今通過體外培養(yǎng)獲得人類的iPSC，并將其定向分化為有功能的其他細胞類型，可以為老年性黃斑變性等疾病提供“細胞治療”的手段【5】。

2019年2月7日，Cell雜志發(fā)表了由Broad研究所所長兼創(chuàng)始人Eric S. Lander教授、麻省理工學院Aviv Regev教授和舒健博士作為共同通訊作者的題為Optimal-Transport Analysis of Single-Cell Gene Expression Identifies Developmental Trajectories in Reprogramming的文章，利用一套新的數據分析方法，解析了大規(guī)模的單細胞RNA測序的結果，繪制了從小鼠胚胎成纖維細胞到iPSC重編程的“細胞地圖”。其開發(fā)的方法也可以應用于研究其他復雜的生物學過程和系統。

在獲取了高密度的不連續(xù)的單細胞RNA測序結果之后，研究人員希望將這些數據“快照” (snapshot) 拼接成“電影”，以精確追蹤細胞從一種狀態(tài)移動到另一種狀態(tài)的路徑。然而這一過程并非易事。1957年英國生物學家Waddington將細胞分化比喻為大理石滾落在有山脊和山谷的滑雪坡上，并將其稱為“表觀遺傳景觀”(Epigenetic Landscape)【6】。

在這一過程中，石塊沿著不同的軌道滾下來會落入不同的山谷，就像不同的細胞命運決定?？墒?，Waddington的比喻并不能追溯一組細胞在分化過程中可能采取的路徑，我們并不知道最終落入不同山谷的是斜坡上的哪些石塊。那么如何將斜坡頂部與底部的石塊聯系起來，并且預測石塊滾落的軌跡呢？本文的研究人員采用了“傳輸理論”(Optimal Transport，OT)并創(chuàng)建了Waddington-OT的基本框架（上圖）。“傳輸理論”理論最早由法國數學家Monge 于18世紀80年代提出，拿破侖曾將該理論用于計算士兵在建造防御工事時移動泥土【7】。通過將不同時間點的細胞類型和細胞分布進行關聯，研究人員利用Waddington-OT成功追溯了從成纖維細胞到iPSC重編程過程中細胞變化的軌跡。

他們發(fā)現，細胞的重編程過程比已知的報道具有更廣泛的發(fā)育過程和狀態(tài)變化。在重編程的起始階段，細胞開始分化成兩個主要類型：一類產生基質細胞(stromal cell),另一類則發(fā)生間充質至上皮細胞轉變(Mesenchymal-Epithelial Transition)并產生類似于iPSC、神經和胎盤細胞的細胞類型。此外，研究人員還發(fā)現早期的細胞命運并不一定是固定的：一些在主要群體中開始發(fā)育的細胞后來會轉移為另一個細胞類型（該研究結果與去年年初在Science上發(fā)表的幾篇單細胞測序的研究文章類似：里程碑丨3篇Science運用單細胞測序技術破解早期胚胎發(fā)育之謎，打破發(fā)育生物學傳統認識；發(fā)育生物學家的夢更近了）。 Waddington-OT還鑒定了重編程過程中不同亞細胞類型出現和消失的階段，甚至揭示了某些細胞類型的基因組畸變。最后研究人員利用Waddington-OT的預測，發(fā)現轉錄因子Obox6和的細胞因子GDF9都能夠增強產生iPSC的效率，表明該框架能夠為進一步完善細胞的重編程提供有力的幫助。

通過繪制細胞重新編程的“地圖”，我們可以追溯細胞發(fā)育的前-后時間軌跡，更加精準和直觀地了解基因的表達情況。據悉，Broad研究所的研究團隊正在向學術界免費提供他們的數據，包括可下載的交互式Waddington-OT軟件。

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