3月18日，《細胞—干細胞》(Cell Stem Cell)以封面文章形式，在線發(fā)表中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）研究員陳躍軍團隊的論文，研究人員通過建立跨分化階段高通量譜系示蹤新技術-SISBAR，解析了人多能干細胞分化為腹側中后腦神經(jīng)細胞的單細胞譜系，發(fā)現(xiàn)了許多新的譜系分化路徑和分子調控機制，該研究展示了基于SISBAR技術的新發(fā)現(xiàn)在改進帕金森癥細胞治療策略中的應用。

小鼠腦內移植的多巴胺能神經(jīng)元??????受訪者供圖

發(fā)育與干細胞生物學中，一個基礎性問題是如何解析生物體內不同細胞類型之間的發(fā)育譜系關系。解析這些譜系能更深入地解析生命體的正常發(fā)育過程以及病理狀態(tài)下的分子機制，為操縱在體細胞分化，優(yōu)化體外細胞分化方法，及促進基于細胞替代療法的再生醫(yī)學發(fā)展提供線索。然而，經(jīng)典方法主要用于解析同一個分化/發(fā)育時間點不同細胞類型之間的譜系關系，不能同時提供一個階段與它們有親緣關系的前體細胞身份特征。如何描繪更完整的細胞發(fā)育路徑，是發(fā)育學領域亟待解決的問題。

“針對以上問題，我們通過結合病毒介導的細胞條形碼標記技術、單細胞測序技術及克隆分離策略，開發(fā)了SISBAR技術?！标愜S軍介紹說，“SISBAR技術可以跨分化階段追蹤單個前體細胞衍生的譜系克隆，同時獲取該前體細胞的單細胞轉錄組信息。”

研究人員把SISBAR技術應用于人腹側中后腦的體外分化體系，建立了“潛能視角”和“起源視角”的譜系分析方法來解析由轉錄組定義的，不同細胞類型的分化潛能及分化起源，從而構建了一個多層級譜系樹來描繪整個分化過程。

“這一多層級譜系樹揭示了中后腦細胞分化過程中，許多未報道過的發(fā)散型和匯聚型跨階段譜系分化路徑?！标愜S軍說，“該研究還揭示了跨分化階段的群體水平譜系和克隆水平譜系之間的關系，在發(fā)散型譜系關系中，發(fā)現(xiàn)同種類型的前體細胞（單細胞轉錄組定義的細胞簇）中單個前體細胞的命運可以不同；不同前體細胞差異的分化命運的集合代表了該前體細胞類型在群體水平的分化命運。在匯聚型譜系關系中，發(fā)現(xiàn)同種類型子代細胞中的單個細胞可以有不同的譜系起源，并且這些不同來源的子代細胞會帶有其親代細胞獨特的基因印跡。”

研究團隊進一步展示了基于SISBAR技術的跨分化階段譜系關系和相關分子調控機制的解析在神經(jīng)系統(tǒng)疾病細胞治療中的應用。利用SISBAR技術，他們發(fā)現(xiàn)中腦多巴胺能神經(jīng)前體細胞具有至少三種命運分化潛能，包括中腦多巴胺能神經(jīng)元、中腦谷氨酸能神經(jīng)元、血管軟腦膜樣細胞。

研究人員鑒定了早期中腦多巴胺能神經(jīng)前體細胞的特異性表面分子標記物并移植到帕金森病模型小鼠的紋狀體后，移植物中目的細胞—中腦多巴胺能神經(jīng)元的比例得到了顯著提高。并且，與通過SISBAR技術發(fā)現(xiàn)的中腦多巴胺能神經(jīng)前體細胞多分化潛能的結果一致，這展示了SISBAR技術在改進細胞治療策略和預測移植細胞體內分化命運中的應用。

基于人多能干細胞的細胞替代療法在治療許多用傳統(tǒng)藥物難以治愈的疾病（如帕金森癥）方面具有廣闊的應用前景。然而，人多能干細胞分化得到的供體細胞（細胞藥物）存在顯著的異質性，這將導致供體細胞和移植物中目的細胞的低比例和細胞組成的不穩(wěn)定性，阻礙了細胞替代療法在臨床上更廣泛地應用。

可以預見，作為一種通用型技術，SISBAR能夠廣泛地應用于包括神經(jīng)分化在內的基于人多能干細胞的體外分化系統(tǒng)中，構建整個分化過程的譜系發(fā)育樹，解析譜系分化的分子調控機制，使我們更好地理解目的細胞和非目的細胞在分化過程中產(chǎn)生的機制，從而改進細胞治療策略，獲得更安全穩(wěn)定的細胞治療結果。同時，SISBAR還為解析細胞分化/發(fā)育過程中的譜系關系提供了新的方法和視角，是經(jīng)典譜系追蹤方法的重要補充。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.02.007

來源：中國科學報