单细胞转录组学揭示人诱导肝细胞样细胞谱系重编程过程中肝脏发育轨迹

《Cellular and Molecular Life Sciences》：Single-cell transcriptomics reveals liver developmental trajectory during lineage reprogramming of human induced hepatocyte-like cells

为解决体外生成功能性肝细胞面临的难题，研究人员开展了人诱导肝细胞（hiHeps）谱系重编程的研究。通过单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）分析，发现重编程后期模拟肝脏发育轨迹，明确关键表面标记、调控因子等。该研究有助于优化肝细胞诱导，推动相关治疗应用。

　　

在生物医药领域，肝细胞如同 “生命化工厂”，承担着药物代谢、物质合成等关键任务，对药物研发、疾病模拟及临床移植意义重大。然而，在体外培育出功能完备的肝细胞却困难重重，其核心挑战在于难以构建出精准的肝细胞特异性基因调控网络（GRN）。传统的肝细胞诱导策略，虽各显神通，但都存在诸多弊端，比如诱导出的肝细胞功能欠佳，还带着初始细胞的 “记忆”，严重限制了它们在实际中的应用。

为突破这一困境，西南医科大学附属医院、北京大学等机构的研究人员开展了一项意义非凡的研究。研究成果发表于《Cellular and Molecular Life Sciences》，为肝细胞的体外培育带来了新曙光。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先是单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，它能深入到单个细胞层面，剖析细胞内基因表达的奥秘。其次是荧光激活细胞分选（FACS）技术，可精准筛选出特定的细胞群体。此外，还有基因敲低、基因调控网络分析等技术，这些技术相辅相成，助力研究深入开展。

下面来详细看看研究结果：

1. 高分辨率解析从成纤维细胞到诱导肝细胞的两步重编程：研究人员设计了独特的两步谱系重编程策略，先将成纤维细胞转变为可扩增的人肝祖细胞样细胞（hHPLCs），再诱导其成为功能强大的 hiHeps。通过 scRNA-seq 技术，对重编程不同阶段的细胞进行分析，成功识别出 6 个转录特征各异的细胞簇，清晰展现出细胞在重编程过程中的变化轨迹。

2. 两步谱系重编程重现肝脏发育轨迹：研究发现，两步重编程的后期与肝脏发育进程高度契合。通过对比重编程样本和不同发育阶段肝脏样本的标记基因表达模式，发现 hHPLCs 具有肝母细胞和胎儿肝细胞的混合特征，hiHeps 则呈现出成人肝细胞的特征。进一步的伪时间分析表明，细胞沿着重编程轨迹逐步从成纤维细胞转变为成熟肝细胞，且关键基因的表达动态也与肝脏发育相符。

3. CD24 和 DLK1 标记两种不同的肝祖细胞群体：深入探究重编程后期，研究人员发现 CD24 和 DLK1 可作为标记物区分不同的肝祖细胞群体。CD24 阳性细胞和 DLK1 阳性细胞在诱导 hiHeps 方面比未分选的 hHPLCs 效率更高，这为富集肝祖细胞、提升肝细胞成熟效率提供了重要途径。

4. 脂质代谢介导肝祖细胞向功能性肝细胞的重编程：对肝祖细胞成熟过程的研究显示，脂质代谢在其中起着关键作用。GO 富集分析发现脂肪酸代谢是肝细胞成熟的关键过程，补充化学定义的脂质浓缩物（CDL）能显著促进 hiHeps 的成熟，表明脂质代谢是推动肝细胞成熟的重要力量。

5. HNF4A 和 HHEX 在两步重编程成熟阶段调节肝细胞和肠细胞命运：研究发现，在 hiHeps 成熟过程中，部分细胞出现了肠细胞命运的倾向。通过分析相关转录因子，发现 HNF4A 与肝细胞命运紧密相关，而 HHEX 则与肠细胞命运关联较大。敲低实验证实，HNF4A 对维持肝细胞功能至关重要，HHEX 则促进 hiHeps 向肠细胞命运发展。

6. 两步重编程过程中的基因调控网络：通过单 - 细胞调节网络推理和聚类（SCENIC）分析，研究人员构建了重编程过程中的基因调控网络，识别出不同阶段起关键作用的转录因子。这些转录因子在不同细胞状态下发挥着独特的调控作用，共同推动重编程进程。

研究结论和讨论部分指出，该研究提供了一个高分辨率的单细胞路线图，详细展示了从人成纤维细胞到功能性 hiHeps 的重编程过程。这不仅有助于优化 hiHeps 的诱导过程，还加深了我们对肝细胞命运决定和 GRN 建立的理解，为基于肝细胞的治疗应用开辟了新道路。研究还发现了一些新的调控因子和机制，为后续研究指明了方向。未来，有望通过进一步优化重编程策略，提高肝细胞诱导的效率和质量，推动肝脏疾病治疗等领域的发展。