NBT | 數百種人類轉錄因子可直接誘導細胞分化

2020-12-02 BioArt

幹細胞領域和組織工程領域的目標，是方便可控地產生出任何細胞系或組織，供基礎科學研究和藥物發現。為了實現這個目標，具有強大的擴增能力和分化潛力人類誘導多性能幹細胞（hiPSC）是一個完美的起點。然而，當前絕大多數類型的細胞分化依舊缺乏可靠的實驗方案。一種方案的思路是模擬細胞在胚胎中的實際發育過程。但特異的發育環境是不容易複製的，其中有許多複雜因素需要調控，如細胞的時空位置，細胞數量等等。這使得大批量生產變得困難。同時，有些實驗方案還依賴於溶劑或壓力等外界信號刺激，進一步限制了在同一培養中分化出多種細胞的可能。


另一種思路是通過激活某種或某些轉錄因子直接誘導細胞分化。這種方法已經被用於細胞系間的轉分化，和幹細胞的重編程以及再分化。目前，人們選擇轉錄因子的方法，要麼是使用已知同發育相關的因子，要麼是基於計算機預測。人們還尚未全面地檢測過人體內約1600種轉錄因子中，到底哪些能導致細胞的分化。


2020年11月30日，哈佛醫學院George Church與德國德勒斯登工業大學Volker Busskamp合作在Nature Biotechnology發表題為「A comprehensive library of human transcription factors for cell fate engineering」的文章。他們構建了由1564個人類轉錄因子，包括1732個剪切異構體構成的DNA文庫，稱其為人類轉錄因子組。他們將所有的轉錄因子轉入人類誘導多性能幹細胞，從而篩選出了具有誘導幹細胞分化能力的轉錄因子。



研究者在克隆或合成轉錄因子DNA後，將其轉入強力黴素誘導的慢病毒載體。通過控制載體與細胞的比例，他們確保每個細胞最多獲得一個載體。研究者對三種hiPSC（PGP1, CRTD5 and ATCC-DYS0100）分別進行了載體轉入，以此消除由hiPSC個體間差異造成的影響。在激活轉錄因子四天之後，他們依靠多能性標誌基因的表達水平來鑑定細胞是否具備多能性，並用FACS將細胞區分開，然後找出已分化細胞中富集的轉錄因子。



研究者發現了290個轉錄因子可以在至少誘導至少兩種幹細胞的分化，65個轉錄因子能誘導全部三種幹細胞的分化。其中包括已知的具備誘導分化能力了的因子，如NEUROG1和ASCL1，但大部分（241個和54個）以前並未被報導過。研究者使用精度更高的PiggyBac轉座子技術確認了這些因子的誘導能力。接著，他們展示了三種新的誘導因子：ATOH1誘導hiPSC分化為神經元，並能觀察到動作電勢；NKX3-1誘導hiPSC分化為成纖維細胞，並能產生膠原實現組織愈傷；ETV2的二型剪切異構體誘導hiPSC分化為類血管內皮細胞，並具備血管生成能力。



由於轉錄因子激活十分便捷，研究者接著將轉入以上三種轉錄因子的細胞兩兩共培養，來探索構建負責組織的潛力。結果顯示在激活四天後，每一種細胞都以相似的比例存在於細胞群中。研究者進一步將三種細胞同時培養，並使用單細胞測序確認了每種細胞的轉錄表達特徵明顯差別，且伴隨著細胞特異標誌基因的表達。


在腦類細胞工程中，髓鞘形成通常要花費大量時間。為了解決這個問題，作者使用SOX9將hiPSC誘導為少突膠質細胞。分化後的細胞在基因表達層面展現出了膠質細胞的特徵。他們接著將該細胞與hiPSC誘導的神經元細胞共培養，在轉錄因子激活的三天後就觀察到誘導膠質細胞與誘導神經元細胞的突觸發生接觸，並開始了髓鞘覆蓋的過程。不僅如此，SOX9誘導的膠質細胞還能在髓鞘鹼性蛋白基因敲除的小鼠大腦內生成厚厚的髓鞘。


在這項研究展現出的巨大潛力之外，作者還強調了需要對多種細胞平行分化與單獨分化間的差別做進一步研究。對於人類轉錄因子組得出的結果進行解釋，也需要結合發育生物學，計算系統生物學和功能性試驗等多方面知識與技術。


原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41587-020-0742-6

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