最大規(guī)模細(xì)胞重編程“地圖”上線
2012年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了日本科學(xué)家山中伸彌 (Shinya Yamanaka) 和英國(guó)發(fā)育生物學(xué)家約翰-戈登 (John Gurdon), 以表彰他們?cè)诩?xì)胞核重新編程領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn)【1】。2006年，山中伸彌利用逆轉(zhuǎn)錄病毒將4個(gè)轉(zhuǎn)錄因子Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4導(dǎo)入小鼠的胚胎成纖維細(xì)胞 (mouse embryonic fibroblast, MEF)和尾尖成纖維細(xì)胞(tail-tip fibroblast, TTF)中，成功地將這兩類細(xì)胞轉(zhuǎn)化為可誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)【2】。隨后山中伸彌等又實(shí)現(xiàn)了人類成纖維細(xì)胞 (human dermal fibroblasts, HDF) 到iPSC的重編程，并在體外將iPSC誘導(dǎo)分化為神經(jīng)細(xì)胞和心肌細(xì)胞【3,4】。如今通過(guò)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(xì)胞類型，可以為老年性黃斑變性等疾病提供“細(xì)胞治療”的手段【5】。
在努力將iPSC應(yīng)用到臨床治療的同時(shí)，科學(xué)家也在不斷探索細(xì)胞重編程自身的奧秘: 成體細(xì)胞究竟是如何轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄芨杉?xì)胞的？在這一過(guò)程中細(xì)胞經(jīng)歷了哪些譜系(cell lineage)的變化和命運(yùn)的決定(cell fate determination)？
2019年2月7日，Cell雜志發(fā)表了由Broad研究所所長(zhǎng)兼創(chuàng)始人Eric S. Lander教授、麻省理工學(xué)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(shù)據(jù)分析方法，解析了大規(guī)模的單細(xì)胞RNA測(cè)序的結(jié)果，繪制了從小鼠胚胎成纖維細(xì)胞到iPSC重編程的“細(xì)胞地圖”。 其開發(fā)的方法也可以應(yīng)用于研究其他復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程和系統(tǒng)。
論文的共同第一作者，也是共同通訊作者之一的舒健博士及合作者，在小鼠成纖維細(xì)胞重編程為iPSC的過(guò)程中，每隔6～12小時(shí)收集一次樣品，用于進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序，一共持續(xù)了18天。他們收集了超過(guò)315,000個(gè)單細(xì)胞RNA測(cè)序的數(shù)據(jù)，這也是迄今為止細(xì)胞重編程領(lǐng)域最大規(guī)模的單細(xì)胞RNA測(cè)序研究。研究人員之所以建立如此宏大和超高時(shí)間密度的數(shù)據(jù)集，是因?yàn)閱渭?xì)胞RNA測(cè)序只能為我們提供某一條件下細(xì)胞的表達(dá)譜，而無(wú)法對(duì)細(xì)胞的狀態(tài)進(jìn)行追蹤和分析。
圖片來(lái)源：Schiebinger et al., 2019. Fig. 2A
在獲取了高密度的不連續(xù)的單細(xì)胞RNA測(cè)序結(jié)果之后，研究人員希望將這些數(shù)據(jù)“快照” (snapshot) 拼接成“電影”，以精確追蹤細(xì)胞從一種狀態(tài)移動(dòng)到另一種狀態(tài)的路徑。然而這一過(guò)程并非易事。1957年英國(guó)生物學(xué)家Waddington將細(xì)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】（下圖）。
圖片來(lái)源: https://bioinformatics.chat/optimal-transport
在這一過(guò)程中，石塊沿著不同的軌道滾下來(lái)會(huì)落入不同的山谷，就像不同的細(xì)胞命運(yùn)決定。可是，Waddington的比喻并不能追溯一組細(xì)胞在分化過(guò)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(lián)系起來(lái)，并且預(yù)測(cè)石塊滾落的軌跡呢？本文的研究人員采用了“最優(yōu)傳輸理論”(Optimal Transport，OT)并創(chuàng)建了Waddington-OT的基本框架（上圖）?！白顑?yōu)傳輸理論”理論最早由法國(guó)數(shù)學(xué)家Monge 于18世紀(jì)80年代提出，拿破侖曾將該理論用于計(jì)算士兵在建造防御工事時(shí)移動(dòng)泥土【7】。通過(guò)將不同時(shí)間點(diǎn)的細(xì)胞類型和細(xì)胞分布進(jìn)行關(guān)聯(lián)，研究人員利用Waddington-OT成功追溯了從成纖維細(xì)胞到iPSC重編程過(guò)程中細(xì)胞變化的軌跡。
他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的重編程過(guò)程比已知的報(bào)道具有更廣泛的發(fā)育過(guò)程和狀態(tài)變化。在重編程的起始階段，細(xì)胞開始分化成兩個(gè)主要類型：一類產(chǎn)生基質(zhì)細(xì)胞(stromal cell),另一類則發(fā)生間充質(zhì)至上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)變(Mesenchymal-Epithelial Transition)并產(chǎn)生類似于iPSC、神經(jīng)和胎盤細(xì)胞的細(xì)胞類型。 此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)早期的細(xì)胞命運(yùn)并不一定是固定的：一些在主要群體中開始發(fā)育的細(xì)胞后來(lái)會(huì)轉(zhuǎn)移為另一個(gè)細(xì)胞類型（該研究結(jié)果與去年年初在Science上發(fā)表的幾篇單細(xì)胞測(cè)序的研究文章類似：里程碑丨3篇Science運(yùn)用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)破解早期胚胎發(fā)育之謎，打破發(fā)育生物學(xué)傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)；發(fā)育生物學(xué)家的夢(mèng)更近了）。 Waddington-OT還鑒定了重編程過(guò)程中不同亞細(xì)胞類型出現(xiàn)和消失的階段，甚至揭示了某些細(xì)胞類型的基因組畸變。最后研究人員利用Waddington-OT的預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Obox6和的細(xì)胞因子GDF9都能夠增強(qiáng)產(chǎn)生iPSC的效率，表明該框架能夠?yàn)檫M(jìn)一步完善細(xì)胞的重編程提供有力的幫助。
通過(guò)繪制細(xì)胞重新編程的“地圖”，我們可以追溯細(xì)胞發(fā)育的前-后時(shí)間軌跡，更加精準(zhǔn)和直觀地了解基因的表達(dá)情況。據(jù)悉，Broad研究所的研究團(tuán)隊(duì)正在向?qū)W術(shù)界免費(fèi)提供他們的數(shù)據(jù)，包括可下載的交互式Waddington-OT軟件。
論文作者介紹：
舒健，2009年至2014年就讀于北京大學(xué)生命科學(xué)研究院細(xì)胞生物學(xué)專業(yè)，在鄧宏魁教授指導(dǎo)下獲博士學(xué)位，研究方向?yàn)榧?xì)胞的重編程。讀博士期間曾以第一作者在Cell和Cell Research雜志發(fā)表研究論文【8,9】, 并榮獲2014年“吳瑞獎(jiǎng)學(xué)金”。2015年作為Helen Hay Whitney學(xué)者加入Broad研究所Eric Lander實(shí)驗(yàn)室和Whitehead 研究所Rudolf ?Jaenisch 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序和干細(xì)胞相關(guān)研究。
Eric S. Lander，哈佛大學(xué)-麻省理工學(xué)院聯(lián)合Broad研究所主席和創(chuàng)始所長(zhǎng)。麻省理工學(xué)院教授，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授。人類基因組計(jì)劃的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一。主要通過(guò)開發(fā)一系列技術(shù)對(duì)人類基因組進(jìn)行解讀和編輯。同時(shí)也是美國(guó)奧巴馬政府科技顧問(wèn)團(tuán)主席。【引文https://www.broadinstitute.org/bios/eric-s-lander】
Aviv Regev，Broad研究所核心成員，計(jì)算生物學(xué)家。麻省理工學(xué)院教授。HHMI。人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃（Human Cell Atlas ）聯(lián)合主席。主要研究和開發(fā)計(jì)算生物學(xué)工具和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)。【https://www.broadinstitute.org/bios/aviv-regev】
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來(lái)源：BioArt
