Nature绘制细胞重编程分子线路图

　　

生物通报道  在完成发育后分化细胞会一直维持它们的细胞身份，以确保整个成年时期执行特化组织功能。然而，通过实验方法可以迫使它们改变身份——例如，可以将成纤维细胞重编程为更原始的胚胎样干细胞，或转分化为其他的特化细胞类型，如肌肉、血液或神经细胞。这些技术对于研究细胞可塑性极有价值，并有望成为治疗神经退行性疾病的工具，但这一过程通常缓慢且低效。

在6月8日的《自然》（Nature）杂志上，干细胞转分化研究领域的大师、斯坦福大学的Marius Wernig博士，及生物工程系主任Stephen R. Quake领导研究人员克服了这些缺点，绘制出了成纤维细胞转变为神经元的分子线路图。

重编程和转分化实验通常涉及过表达一些调控转录因子来结合DNA，诱导特定细胞类型特征性的基因表达模式。在过去的研究中，斯坦福大学的研究人员发现三个大脑特异性转录因子（统称为BAM因子）在体外过表达可将成纤维细胞转变为类似脑源性神经元的细胞。该研究小组还证实仅过表达Ascl1就可以诱导成纤维细胞转分化为神经元样细胞，尽管相比于BAM鸡尾酒低效。无论采用哪一种方法，大多数的细胞都抵制转分化，但却不清楚其原因。

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单细胞RNA测序是在混合的细胞群中评估稀有细胞类型整个基因表达模式的一种有用工具。在这篇Nature文章中，研究人员将这一技术应用于BAM或Ascl1介导的神经元转分化。他们检测了培养0, 2, 5 和22天后405个单细胞中的总RNA水平。随后他们采用复杂的计算工具显像来自培养物的数据，构建出了随着时间的推移成纤维细胞变为神经元的进程。

这些实验揭示转分化成纤维细胞经历了两个可识别的阶段，作者们将之命名为起始阶段和成熟阶段。在起始阶段，细胞停止了表达一些成纤维细胞特征性的基因，停止增殖并短暂激活了一些神经祖细胞标志性基因。这些改变发生在大多数细胞中，并通过Ascl1进行协调。相比之下，只有一小部分的细胞发展至成熟。一些建立及随后维持一种成熟神经元谱系的基因激活是成熟阶段的特征，其涉及所有三个BAM因子。因此从起始阶段转化到成熟阶段代表了成纤维细胞向神经元转变过程中的一个瓶颈，与转分化低效率有关联。

针对这一瓶颈一种可能的解释是，混合培养物中一些稀有细胞类型特别容易发生转分化。这预示着存在转录上不同的成纤维细胞亚型。然而，在检测73个成纤维细胞中的基因表达时，研究人员未找到存在独特细胞亚型的证据，培养物看似非常的同质，因此这种可能性极小。

另一种可能就是作者利用来将转录因子传送到细胞中去的病毒载体被沉默了。为了解决这一问题，研究人员比较了数十个单细胞中导入的Ascl1转基因的表达情况。发现尽管Ascl1最初在大多数成纤维细胞中表达，随着细胞转向成熟阶段这一转基因常常被沉默。这些数据提出，至少在部分程度上病毒沉默导致了神经元转分化的低效。

当研究人员比较接受Ascl1或BAM因子后，激活神经元标记基因Tau的单细胞的基因表达数据时获得了惊人的研究发现。分析结果揭示，只接受Ascl1的细胞尽管激活了Tau却采用了一种肌肉样基因表达程序，而接受BAM的Tau表达细胞呈现出预期的神经元命运。这些数据表明Myt1l和Myt1l不仅促进了神经元身份，还阻止了获得竞争性的肌细胞命运。

作者们最后指出，这项新研究为了解谱系分化过程中转录组的状态提供了一个高分辨率的方法。

2016年4月25日，国际学术期刊Nature Neuroscience 在线发表了中国科学院生物物理研究所核酸生物学重点实验室薛愿超课题组和付向东课题组的研究成果，该研究揭示了在人成纤维细胞中实现定量神经细胞转分化的新方法和作用机制（中科院两PI发表Nature子刊文章）。

2015年，来自中科院上海生命科学研究院、复旦大学和同济大学的研究人员报告称，他们采用药物鸡尾酒成功地将星形胶质细胞直接转化成为了神经细胞。这一研究突破发布在10月2日的Cell Research杂志上（裴钢院士新文章：细胞转分化研究突破成果 ）。

来自同济大学、中科院上海药物研究所的研究人员报告称，她们利用化学鸡尾酒成功将小鼠成纤维细胞直接重编程为了心肌细胞。这一研究突破发布在2015年的Cell Research杂志上（同济大学973首席科学家发布细胞转分化研究新突破 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Dissecting direct reprogramming from fibroblast to neuron using single-cell RNA-seq

Direct lineage reprogramming represents a remarkable conversion of cellular and transcriptome states1, 2, 3. However, the intermediate stages through which individual cells progress during reprogramming are largely undefined. Here we use single-cell RNA sequencing4, 5, 6, 7 at multiple time points to dissect direct reprogramming from mouse embryonic fibroblasts to induced neuronal cells. By deconstructing heterogeneity at each time point and ordering cells by transcriptome similarity, we find that the molecular reprogramming path is remarkably continuous. Overexpression of the proneural pioneer factor Ascl1 results in a well-defined initialization, causing cells to exit the cell cycle and re-focus gene expression through distinct neural transcription factors. The initial transcriptional response is relatively homogeneous among fibroblasts, suggesting that the early steps are not limiting for productive reprogramming. Instead, the later emergence of a competing myogenic program and variable transgene dynamics over time appear to be the major efficiency limits of direct reprogramming. Moreover, a transcriptional state, distinct from donor and target cell programs, is transiently induced in cells undergoing productive reprogramming. Our data provide a high-resolution approach for understanding transcriptome states during lineage differentiation.