华人研究组发表重编程重大发现：首个重编程细胞命运指数

来源：生物通

北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员开发了一种单细胞基因组研究平台，首次成功将人成纤维细胞重编程为心肌细胞。

每年心脏病发作的患者不计其数，由于心肌细胞不能再生，心脏病发作后，许多心肌细胞会不可逆地受损，永久变成瘢痕组织细胞，严重影响心脏功能。但是，如果科学家能够将这些被称为成纤维细胞的瘢痕组织细胞重新编程为健康心肌细胞，那对于心脏病患者来说意义重大。

此前，一些科学家门通过实验室实验和小鼠实验在这方面取得了很多进展，但人类心脏重编程仍然是一个巨大的挑战。

近日北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员首次开发出一种稳定，可重复的平台，可将人成纤维细胞重编程为心肌细胞。他们通过利用最新的单细胞技术和数学模拟，制定了一个高分辨率的分子路线图，指导精确有效的重编程。

这一研究成果公布在6月20日的Cell Stem Cell杂志上，由北卡罗来纳大学教堂山分校McAllister心脏研究所钱丽（Li Qian）博士领导完成。

钱博士一直致力于人类患者的心脏重编程研究，她表示，“我们相信，将生物实验与单细胞基因组分析相结合的跨学科方法，能激发未来关于理解人类心肌细胞性质的关键步骤，并将这些知识转化为再生疗法。”

这一研究组在人类心脏成纤维细胞中加入了三种基因：Mef2c，Gata4和Tbx5的混合物，其剂量经过特殊的优化。为了提高效率，他们筛选了一系列补充因子，从中鉴定了MIR-133，MIR-133这是一种小RNA分子，当把它加入到三基因混合物时，就能将人心脏成纤维细胞重编程为心肌细胞，效率高达40％至60％。

之后，他们希望能解答这种细胞是如何转化为心肌细胞的分子机制。为此，研究人员研究了重编程过程中各个细胞的分子变化，这样他们找到了重编程过程中的一个关键点，也就是细胞必须“决定”编程心肌细胞，还是回归到它们之前成纤维细胞命运之间的关键点。一旦这个过程开始了，就会有一系列的信号分子和蛋白质让细胞进入到不同的分子途径上，这决定了它们分化的细胞类型。

此外，研究人员还创建了一种独特的细胞命运指数，定量评估重编程的进展。利用该指数，研究人员发现人类心脏重编程的进展速度比先前描述的小鼠重编程慢得多，这揭示了物种和重编程条件之间的关键差异。

“你可以把这个细胞重编程过程想象成谷歌上的地图路线，”钱博士说，“起始的疤痕形成成纤维细胞，就像汽车寻找合适的GPS指令，我们的研究工作发现了路障，错误的出口斜坡和加油站，也就是遗传因子，可以让成纤维细胞到达我们想要的目的地。我们新开发的细胞命运指数就像仪表板上的仪表一样，可以预测目的地的距离。”

这项工作阐明了之前从未发现过的人类心脏重编程特征，并提供了新的研究工具，有助于更好地了解细胞命运变化，以及人体内重编程的过程。

“我们的单细胞途径和新算法当然可以用于研究其他生物过程，包括细胞的分化，去分化或药物反应。”钱博士补充道，“这种研究方法并不局限于心脏，但作为世界头号杀手的心脏病，依然是我们实验室的主要焦点。”

参考文献：

Single-Cell Transcriptomic Analyses of Cell Fate Transitions during Human Cardiac Reprogramming