2012年諾貝爾生理或醫(yī)學獎授予了日本科學家山中伸彌 (Shinya Yamanaka) 和英國發(fā)育生物學家約翰-戈登 (John Gurdon), 以表彰他們在細胞核重新編程領域做出的杰出貢獻【1】。2006年，山中伸彌利用逆轉錄病毒將4個轉錄因子Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4導入小鼠的胚胎成纖維細胞 (mouse embryonic fibroblast, MEF)和尾尖成纖維細胞(tail-tip fibroblast, TTF)中，成功地將這兩類細胞轉化為可誘導的多能干細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)【2】。隨后山中伸彌等又實現了人類成纖維細胞 (human dermal fibroblasts, HDF) 到iPSC的重編程，并在體外將iPSC誘導分化為神經細胞和心肌細胞【3,4】。如今通過體外培養(yǎng)獲得人類的iPSC，并將其定向分化為有功能的其他細胞類型，可以為老年性黃斑變性等疾病提供“細胞治療”的手段【5】。

在努力將iPSC應用到臨床治療的同時，科學家也在不斷探索細胞重編程自身的奧秘: 成體細胞究竟是如何轉變?yōu)槎嗄芨杉毎?？在這一過程中細胞經歷了哪些譜系(cell lineage)的變化和命運的決定(cell fate determination)？

2019年2月7日，Cell雜志發(fā)表了由Broad研究所所長兼創(chuàng)始人Eric S. Lander教授、麻省理工學院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，利用一套新的數據分析方法，解析了大規(guī)模的單細胞RNA測序的結果，繪制了從小鼠胚胎成纖維細胞到iPSC重編程的“細胞地圖”。 其開發(fā)的方法也可以應用于研究其他復雜的生物學過程和系統(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，在小鼠成纖維細胞重編程為iPSC的過程中，每隔6～12小時收集一次樣品，用于進行單細胞RNA測序，一共持續(xù)了18天。他們收集了超過315,000個單細胞RNA測序的數據，這也是迄今為止細胞重編程領域最大規(guī)模的單細胞RNA測序研究。研究人員之所以建立如此宏大和超高時間密度的數據集，是因為單細胞RNA測序只能為我們提供某一條件下細胞的表達譜，而無法對細胞的狀態(tài)進行追蹤和分析。

圖片來源：Schiebinger et al., 2019. Fig. 2A

在獲取了高密度的不連續(xù)的單細胞RNA測序結果之后，研究人員希望將這些數據“快照” (snapshot) 拼接成“電影”，以精確追蹤細胞從一種狀態(tài)移動到另一種狀態(tài)的路徑。然而這一過程并非易事。1957年英國生物學家Waddington將細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）。

圖片來源: https://bioinformatics.chat/optimal-transport

在這一過程中，石塊沿著不同的軌道滾下來會落入不同的山谷，就像不同的細胞命運決定?？墒?，Waddington的比喻并不能追溯一組細胞在分化過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系起來，并且預測石塊滾落的軌跡呢？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）。“最優(yōu)傳輸理論”理論最早由法國數學家Monge 于18世紀80年代提出，拿破侖曾將該理論用于計算士兵在建造防御工事時移動泥土【7】。通過將不同時間點的細胞類型和細胞分布進行關聯，研究人員利用Waddington-OT成功追溯了從成纖維細胞到iPSC重編程過程中細胞變化的軌跡。

他們發(fā)現，細胞的重編程過程比已知的報道具有更廣泛的發(fā)育過程和狀態(tài)變化。在重編程的起始階段，細胞開始分化成兩個主要類型：一類產生基質細胞(stromal cell),另一類則發(fā)生間充質至上皮細胞轉變(Mesenchymal-Epithelial Transition)并產生類似于iPSC、神經和胎盤細胞的細胞類型。 此外，研究人員還發(fā)現早期的細胞命運并不一定是固定的：一些在主要群體中開始發(fā)育的細胞后來會轉移為另一個細胞類型（該研究結果與去年年初在Science上發(fā)表的幾篇單細胞測序的研究文章類似：里程碑丨3篇Science運用單細胞測序技術破解早期胚胎發(fā)育之謎，打破發(fā)育生物學傳統(tǒng)認識；發(fā)育生物學家的夢更近了）。 Waddington-OT還鑒定了重編程過程中不同亞細胞類型出現和消失的階段，甚至揭示了某些細胞類型的基因組畸變。最后研究人員利用Waddington-OT的預測，發(fā)現轉錄因子Obox6和的細胞因子GDF9都能夠增強產生iPSC的效率，表明該框架能夠為進一步完善細胞的重編程提供有力的幫助。

通過繪制細胞重新編程的“地圖”，我們可以追溯細胞發(fā)育的前-后時間軌跡，更加精準和直觀地了解基因的表達情況。據悉，Broad研究所的研究團隊正在向學術界免費提供他們的數據，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年就讀于北京大學生命科學研究院細胞生物學專業(yè)，在鄧宏魁教授指導下獲博士學位，研究方向為細胞的重編程。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“吳瑞獎學金”。2015年作為Helen Hay Whitney學者加入Broad研究所Eric Lander實驗室和Whitehead 研究所Rudolf ?Jaenisch 實驗室進行單細胞測序和干細胞相關研究。

Eric S. Lander，哈佛大學-麻省理工學院聯合Broad研究所主席和創(chuàng)始所長。麻省理工學院教授，哈佛大學醫(yī)學院教授。人類基因組計劃的主要領導者之一。主要通過開發(fā)一系列技術對人類基因組進行解讀和編輯。同時也是美國奧巴馬政府科技顧問團主席。【引文https://www.broadinstitute.org/bios/eric-s-lander】

Aviv Regev，Broad研究所核心成員，計算生物學家。麻省理工學院教授。HHMI。人類細胞圖譜計劃（Human Cell Atlas ）聯合主席。主要研究和開發(fā)計算生物學工具和單細胞測序技術?！緃ttps://www.broadinstitute.org/bios/aviv-regev】

參考文獻：

[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.

來源：BioArt