Cell Stem Cell | 鄧宏魁、李程研究組合作揭示小分子化合物誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程的新機(jī)制
2018年6月21日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心鄧宏魁研究組、李程研究組合作在《Cell Stem Cell》雜志在線發(fā)表了題為“Single-Cell RNA-Seq Reveals Dynamic Early Embryonic-like Programs during Chemical Reprogramming”的研究論文，首次在單細(xì)胞和全轉(zhuǎn)錄組水平系統(tǒng)深入研究了小分子化合物誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程過程，發(fā)現(xiàn)了其中關(guān)鍵分子事件，回答了多能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是如何逐步建立等重要科學(xué)問題，并利用這些啟示進(jìn)一步優(yōu)化小分子誘導(dǎo)方法，顯著加快了重編程進(jìn)程。
多潛能干細(xì)胞由于其無限的自我更新能力和分化產(chǎn)生機(jī)體所有細(xì)胞類型的潛能，在疾病模型、藥物篩選和細(xì)胞治療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而如何在體外誘導(dǎo)獲得多潛能干細(xì)胞一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。2013年，鄧宏魁研究組在《Science》雜志上報(bào)道了重大突破，首次利用小分子化合物將體細(xì)胞重編程為多潛能干細(xì)胞（chemically induced pluripotent stem cell, CiPSC）。這項(xiàng)成果提供了更加簡單和安全有效的方式來重新賦予成體細(xì)胞 “多潛能性”，開辟了一條新的途徑實(shí)現(xiàn)體細(xì)胞重編程，為未來細(xì)胞治療及人造器官提供了理想的細(xì)胞來源，給未來應(yīng)用再生醫(yī)學(xué)治療重大疾病帶來了新的可能。2015年和2017年，鄧宏魁研究組又相繼在《Cell》和《Cell Stem Cell》等雜志上發(fā)表文章，闡明了化學(xué)重編程早期經(jīng)歷了一個(gè)類似胚胎早期發(fā)育中胚外內(nèi)胚層（extraembryonic endoderm，XEN-like）的中間狀態(tài)，并通過促進(jìn)該狀態(tài)的產(chǎn)生顯著提高了重編程效率。隨后，包括謝欣、姚紅杰、裴端卿、劉林等多個(gè)研究組利用相同或類似的小分子化合物組合，重復(fù)和優(yōu)化了化學(xué)重編程技術(shù)。然而，XEN-like細(xì)胞是如何逐步建立完整多能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)?span style="padding:0px; box-sizing:border-box">CiPS細(xì)胞的這一關(guān)鍵問題，尚不清楚。
本研究利用高通量單細(xì)胞RNA測序手段高分辨率地解析了重編程全過程的基因表達(dá)譜，結(jié)合生物信息學(xué)方法，對細(xì)胞群體進(jìn)行解構(gòu)并重構(gòu)了細(xì)胞重編程軌跡。作者驚奇地發(fā)現(xiàn)，在XEN-like細(xì)胞向CiPS細(xì)胞轉(zhuǎn)變過程中，存在一群表達(dá)譜上高度類似胚胎發(fā)育早期二細(xì)胞期的細(xì)胞群，并命名為Ci2C-like（chemically induced two-cell embryo-like）細(xì)胞。進(jìn)一步全基因組甲基化測序發(fā)現(xiàn)Ci2C-like細(xì)胞的DNA甲基化修飾被顯著擦除，從表觀遺傳的角度證明了Ci2C-like細(xì)胞群體與二細(xì)胞胚胎的高度相似性。更重要的是，作者證明了Ci2C-like相關(guān)基因在重編程后期發(fā)揮的關(guān)鍵正向作用（圖1）。在此基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)小分子的處理方式，促進(jìn)Ci2C-like相關(guān)基因的激活，從而大大加速了重編程進(jìn)程，使化學(xué)重編程的誘導(dǎo)周期從40天縮短至16天（不傳代誘導(dǎo)）（圖2）。
圖1. 小分子誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程的分子路徑和細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化過程
該研究首次在單細(xì)胞水平描繪了小分子誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程過程的具體分子路徑，闡明了XEN-like細(xì)胞向CiPS細(xì)胞轉(zhuǎn)變的具體分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了Ci2C-like細(xì)胞在多能性獲得中的關(guān)鍵作用，并進(jìn)一步優(yōu)化了重編程體系（圖2）。截至到目前為止，鄧宏魁研究組在化學(xué)小分子誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程方面已經(jīng)發(fā)表了7篇重要論文，包括誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程，誘導(dǎo)體細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，研究多能性獲得的分子機(jī)制等，為理解細(xì)胞命運(yùn)決定和小分子化合物操縱細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
圖2. 單細(xì)胞RNA測序發(fā)現(xiàn)小分子誘導(dǎo)重編程過程中的兩個(gè)關(guān)鍵中間狀態(tài)（XEN-like、Ci2C-like），化學(xué)重編程的誘導(dǎo)周期從40天縮短至16天
鄧宏魁教授和李程教授是本文的共同通訊作者；北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙挺（現(xiàn)為哈佛大學(xué)、麻省總醫(yī)院博士后）、博士生傅瑤、博士生朱家亮、博士生劉一方、研究助理張倩、博士生易澤軒是本文的共同第一作者。本工作獲得了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北昊干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院等的大力支持。
全文鏈接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(18)30280-7
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