最大规模细胞重编程“地图”上线

医疗健康 来源: BioArt 作者:虞莎
2019
02/12
15:07
BioArt
作者:虞莎
医疗健康

2012年诺贝尔生理或医学奖授予了日本科学家山中伸弥 (Shinya Yamanaka) 和英国发育生物学家约翰-戈登 (John Gurdon), 以表彰他们在细胞核重新编程领域做出的杰出贡献【1】。2006年,山中伸弥利用逆转录病毒将4个转录因子Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4导入小鼠的胚胎成纤维细胞 (mouse embryonic fibroblast, MEF)和尾尖成纤维细胞(tail-tip fibroblast, TTF)中,成功地将这两类细胞转化为可诱导的多能干细胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)【2】。随后山中伸弥等又实现了人类成纤维细胞 (human dermal fibroblasts, HDF) 到iPSC的重编程,并在体外将iPSC诱导分化为神经细胞和心肌细胞【3,4】。如今通过体外培养获得人类的iPSC,并将其定向分化为有功能的其他细胞类型,可以为老年性黄斑变性等疾病提供“细胞治疗”的手段【5】。

在努力将iPSC应用到临床治疗的同时,科学家也在不断探索细胞重编程自身的奥秘: 成体细胞究竟是如何转变为多能干细胞的?在这一过程中细胞经历了哪些谱系(cell lineage)的变化和命运的决定(cell fate determination)?

2019年2月7日,Cell杂志发表了由Broad研究所所长兼创始人Eric S. Lander教授、麻省理工学院Aviv Regev教授和舒健博士作为共同通讯作者的题为Optimal-Transport Analysis of Single-Cell Gene Expression Identifies Developmental Trajectories in Reprogramming的文章,利用一套新的数据分析方法,解析了大规模的单细胞RNA测序的结果,绘制了从小鼠胚胎成纤维细胞到iPSC重编程的“细胞地图”。 其开发的方法也可以应用于研究其他复杂的生物学过程和系统。

论文的共同第一作者,也是共同通讯作者之一的舒健博士及合作者,在小鼠成纤维细胞重编程为iPSC的过程中,每隔6~12小时收集一次样品,用于进行单细胞RNA测序,一共持续了18天。他们收集了超过315,000个单细胞RNA测序的数据,这也是迄今为止细胞重编程领域最大规模的单细胞RNA测序研究。研究人员之所以建立如此宏大和超高时间密度的数据集,是因为单细胞RNA测序只能为我们提供某一条件下细胞的表达谱,而无法对细胞的状态进行追踪和分析。


图片来源:Schiebinger et al., 2019. Fig. 2A

在获取了高密度的不连续的单细胞RNA测序结果之后,研究人员希望将这些数据“快照” (snapshot) 拼接成“电影”,以精确追踪细胞从一种状态移动到另一种状态的路径。然而这一过程并非易事。1957年英国生物学家Waddington将细胞分化比喻为大理石滚落在有山脊和山谷的滑雪坡上,并将其称为“表观遗传景观”(Epigenetic Landscape)【6】(下图)。


图片来源: https://bioinformatics.chat/optimal-transport

在这一过程中,石块沿着不同的轨道滚下来会落入不同的山谷,就像不同的细胞命运决定。可是,Waddington的比喻并不能追溯一组细胞在分化过程中可能采取的路径,我们并不知道最终落入不同山谷的是斜坡上的哪些石块。那么如何将斜坡顶部与底部的石块联系起来,并且预测石块滚落的轨迹呢?本文的研究人员采用了“最优传输理论”(Optimal Transport,OT)并创建了Waddington-OT的基本框架(上图)。“最优传输理论”理论最早由法国数学家Monge 于18世纪80年代提出,拿破仑曾将该理论用于计算士兵在建造防御工事时移动泥土【7】。通过将不同时间点的细胞类型和细胞分布进行关联,研究人员利用Waddington-OT成功追溯了从成纤维细胞到iPSC重编程过程中细胞变化的轨迹。

他们发现,细胞的重编程过程比已知的报道具有更广泛的发育过程和状态变化。在重编程的起始阶段,细胞开始分化成两个主要类型:一类产生基质细胞(stromal cell),另一类则发生间充质至上皮细胞转变(Mesenchymal-Epithelial Transition)并产生类似于iPSC、神经和胎盘细胞的细胞类型。 此外,研究人员还发现早期的细胞命运并不一定是固定的:一些在主要群体中开始发育的细胞后来会转移为另一个细胞类型(该研究结果与去年年初在Science上发表的几篇单细胞测序的研究文章类似:里程碑丨3篇Science运用单细胞测序技术破解早期胚胎发育之谜,打破发育生物学传统认识;发育生物学家的梦更近了)。 Waddington-OT还鉴定了重编程过程中不同亚细胞类型出现和消失的阶段,甚至揭示了某些细胞类型的基因组畸变。最后研究人员利用Waddington-OT的预测,发现转录因子Obox6和的细胞因子GDF9都能够增强产生iPSC的效率,表明该框架能够为进一步完善细胞的重编程提供有力的帮助。

通过绘制细胞重新编程的“地图”,我们可以追溯细胞发育的前-后时间轨迹,更加精准和直观地了解基因的表达情况。据悉,Broad研究所的研究团队正在向学术界免费提供他们的数据,包括可下载的交互式Waddington-OT软件。

论文作者介绍:

舒健,2009年至2014年就读于北京大学生命科学研究院细胞生物学专业,在邓宏魁教授指导下获博士学位,研究方向为细胞的重编程。读博士期间曾以第一作者在Cell和Cell Research杂志发表研究论文【8,9】, 并荣获2014年“吴瑞奖学金”。2015年作为Helen Hay Whitney学者加入Broad研究所Eric Lander实验室和Whitehead 研究所Rudolf  Jaenisch 实验室进行单细胞测序和干细胞相关研究。

Eric S. Lander,哈佛大学-麻省理工学院联合Broad研究所主席和创始所长。麻省理工学院教授,哈佛大学医学院教授。人类基因组计划的主要领导者之一。主要通过开发一系列技术对人类基因组进行解读和编辑。同时也是美国奥巴马政府科技顾问团主席。【引文https://www.broadinstitute.org/bios/eric-s-lander】

Aviv Regev,Broad研究所核心成员,计算生物学家。麻省理工学院教授。HHMI。人类细胞图谱计划(Human Cell Atlas )联合主席。主要研究和开发计算生物学工具和单细胞测序技术。【https://www.broadinstitute.org/bios/aviv-regev】

参考文献:

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/

[2] Takahashi, K., and Yamanaka, S. (2006). Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell 126, 663–676.

[3] Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., Ichisaka, T., Tomoda, K., and Yamanaka, S. (2007). Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors. Cell 131, 861–872.

[4] Yu, J., Vodyanik, M.A., Smuga-Otto, K., Antosiewicz-Bourget, J., Frane, J.L., Tian, S., Nie, J., Jonsdottir, G.A., Ruotti, V., Stewart, R., et al. (2007). Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells. Science 318, 1917–1920.

[5] Mandai, M., Watanabe, A., Kurimoto, Y., Hirami, Y., Morinaga, C., Daimon, T., Fujihara, M., Akimaru, H., Sakai, N., Shibata, Y., et al. (2017). Autologous Induced Stem-Cell–Derived Retinal Cells for Macular Degeneration. New England Journal of Medicine 376, 1038–1046.

[6] Goldberg, A.D., Allis, C.D., and Bernstein, E. (2007). Epigenetics: A Landscape Takes Shape. Cell 128, 635–638.

[7] Monge, G. (1781). Me? moire sur la the? orie des de? blais et des remblais. Me?mde l’Ac R des Sc, 666–704.

[8] Shu, J., Wu, C., Wu, Y., Li, Z., Shao, S., Zhao, W., ... & Yang, W. (2013). Induction of pluripotency in mouse somatic cells with lineage specifiers. Cell, 153(5), 963-975.

[9] Shu, J., Zhang, K., Zhang, M., Yao, A., Shao, S., Du, F., Yang, C., Chen, W., Wu, C., Yang, W., et al. (2015). GATA family members as inducers for cellular reprogramming to pluripotency. Cell Research 25, 169–180.

来源:BioArt

作者:虞莎

来源: BioArt   作者:虞莎

为你推荐

数说心律,同心共创——共话心脏节律管理创新方案资讯

数说心律,同心共创——共话心脏节律管理创新方案

在第八届中国国际进口博览会期间,美敦力心脏节律管理业务部成功举办“数说心律,同心共创”主题活动,聚焦“以患者为中心”的创新实践,推动先进疗法造福中国。

2025-11-12 15:33

安科生物增资博生吉,获得PA3-17 注射液CAR-T产品大中华区独家代理权资讯

安科生物增资博生吉,获得PA3-17 注射液CAR-T产品大中华区独家代理权

11月11日晚间,安科生物发布公告称公司与博生吉医药科技(苏州)有限公司签署《增资协议》与《独家代理框架协议》,达成新一轮深度战略合作。

2025-11-11 22:53

首届默沙东研发中国科学日在京成功举办资讯

首届默沙东研发中国科学日在京成功举办

深化本土创新合作生态,助力中国创新走向全球化

2025-11-11 21:58

熙源安健获得超2亿元A轮融资,加速核心管线进展和全球化布局资讯

熙源安健获得超2亿元A轮融资,加速核心管线进展和全球化布局

本轮融资由北京市医药健康产业投资基金领投,渶策资本、光华梧桐、比邻星创投跟投,老股东顺禧基金、启明创投持续加投,行远致同担任财务顾问。

2025-11-11 21:52

诺华的核药将在嘉兴量产资讯

诺华的核药将在嘉兴量产

近日,跨国药企巨头诺华宣布其放射配体疗法(RLT)药物派威妥(镥[177Lu]特昔维匹肽注射液)的两个适应症同时获得国家药品监督管理局批准,分别为用于治疗既往接受过雄激素受体...

2025-11-11 18:23

国家医保局:开展医保经办全业务流程智能审核试点资讯

国家医保局:开展医保经办全业务流程智能审核试点

国家医保局确定北京市、天津市、河北省、辽宁省、浙江省、湖南省、重庆市医疗保障局为试点单位,开展医保经办全业务流程智能审核试点工作。

2025-11-11 18:15

华东医药创新药罗氟司特乳膏0.15%特应性皮炎适应症在华申报上市,强化自免皮肤领域布局资讯

华东医药创新药罗氟司特乳膏0.15%特应性皮炎适应症在华申报上市,强化自免皮肤领域布局

适用于6岁及以上轻度至中度特应性皮炎患者的局部外用治疗。

2025-11-11 17:56

贺普药业乙肝创新药物获突破性进展资讯

贺普药业乙肝创新药物获突破性进展

近日,第76届美国肝病研究协会(AASLD)年会在美国华盛顿开幕。由上海贺普药业研发的乙肝创新药贺普拉肽临床研究取得突破性进展,以大会报告形式公布了治疗慢性乙肝II期随机双盲...

2025-11-10 20:57

远大医药复方鼻喷剂莱特灵®国内成功获批,过敏性鼻炎迎全新复方治疗方案资讯

远大医药复方鼻喷剂莱特灵®国内成功获批,过敏性鼻炎迎全新复方治疗方案

全球创新药Ryaltris®复方鼻喷剂(“GSP 301 NS”或“莱特灵®”)已获国家药监局颁发药品注册证书,且在药品审评过程中未收到补充资料通知,实现“零发补”获批上市。

2025-11-10 17:37

创新医疗国际合作新范本,复星凯瑞与沙特Fakeeh共拓细胞治疗新里程资讯

创新医疗国际合作新范本,复星凯瑞与沙特Fakeeh共拓细胞治疗新里程

此次签约聚焦CAR-T细胞治疗领域,双方就共同推进该技术在沙特的临床落地和本地化发展达成了合作意向。

2025-11-10 17:32

安永吴晓颖:从“辅助工具”到“核心能力”,生成式 AI 将重塑医疗器械行业竞争格局资讯

安永吴晓颖:从“辅助工具”到“核心能力”,生成式 AI 将重塑医疗器械行业竞争格局

第八届中国国际进口博览会上,安永正式发布《生成式人工智能在医疗器械行业潜在应用》白皮书。

文/张蓉蓉 2025-11-10 16:26

科莱恩大亚湾制药产能升级落地,加码药用辅料与原料药布局资讯

科莱恩大亚湾制药产能升级落地,加码药用辅料与原料药布局

近日,科莱恩在惠州大亚湾生产基地举行护理化学品扩建项目投产仪式,此次 8000 万瑞士法郎(约7亿人民币)的战略投资中,制药领域产能升级成为核心亮点。

文/张蓉蓉 2025-11-10 15:33

赛诺菲大中华区总裁施旺:八载全勤赴进博,以“中国方案”筑梦健康中国资讯

赛诺菲大中华区总裁施旺:八载全勤赴进博,以“中国方案”筑梦健康中国

赛诺菲长期看好中国市场的繁荣前景,对医疗健康领域的未来充满信心。

2025-11-10 10:24

“医药险协同聚力,让生命无惧风雨”,罗氏医药险生态联盟启动资讯

“医药险协同聚力,让生命无惧风雨”,罗氏医药险生态联盟启动

11月7日,在第八届中国国际进口博览会上,罗氏制药展台举行了“以患者为中心,聚力守护新生”为主题的医药险生态联盟仪式。

2025-11-10 09:56

华东医药FIC三重激动剂DR10624最新临床数据披露,降低甘油三酯达75%,减少肝脏脂肪达67%资讯

华东医药FIC三重激动剂DR10624最新临床数据披露,降低甘油三酯达75%,减少肝脏脂肪达67%

DR10624在治疗重度高甘油三酯血症(SHTG)的II期临床研究(“DR10624-201研究”)中取得的重要成果

2025-11-09 21:31

2025年世界互联网大会,华西医院与蚂蚁集团达成战略资讯

2025年世界互联网大会,华西医院与蚂蚁集团达成战略

11月8日,在2025年世界互联网大会乌镇峰会期间,四川大学华西医院与蚂蚁集团正式签署战略合作协议。

2025-11-09 20:43

雅培瞬感iCGM 高科技高标准亮相进博 多项专家共识发布 助力精准血糖管理资讯

雅培瞬感iCGM 高科技高标准亮相进博 多项专家共识发布 助力精准血糖管理

中国市场唯一通过国际最高标准认证的集成式持续葡萄糖监测系统(iCGM)

2025-11-09 14:14