细胞发育的“黑匣子”——科学家设计出新的方法来追踪细胞重编程

撰文丨关越

责编丨迦溆

科学家希望有一天能从病人身上取一些皮肤细胞，比如这种病人需要肝移植，可以把皮肤细胞按已知的分化途径转变成为肝脏细胞。然而到目前为止，细胞重编程效率非常低，科学家认为这种过程更像是很少数细胞能进入正确步骤的随机过程。单细胞技术是很有用的工具，可以用来解析细胞分化过程中大量涌现出的异质性。但随着分化过程，细胞谱系关系会丢失【1,2】。这使得构建分化轨迹变得困难。科学家希望能开发一种新的工具来追踪细胞分化途径，不仅可以细致地研究细胞分化的起始和终点，更能够详细追踪研究细胞从起始分化到达终点所经过的路径。

12月5日，Nature在线发表了来自华盛顿大学医学院的科学家（Samantha A. Morris课题组）的研究长文Single-cell mapping of lineage and identity in direct reprogramming，该论文中报道了开发出的一种新工具，被称为发育细胞的“黑匣子”,这种称为“CellTagging”的谱系示踪工具结合单细胞RNA测序技术可以描绘出细胞从一种类型转变向另一种细胞类型的变化途径【3】。

研究者利用lentivirus 将细胞中插入“barcode”,这样不同的细胞中表达不同的barcode组合，当细胞分裂时，这种独特的barcodes会在所有后代中传递下去。利用这种不同的“CellTag” 表达组合，可以追踪细胞和它们的后代，这种细胞标记方法可以平行捕捉到细胞克隆历史和细胞类型。研究者把成纤维细胞诱导分化为内胚层前体细胞。在28天细胞重编程过程中，新的barcodes不同时间点会被顺次加入。这些细胞样品会被单细胞RNA测序分析细胞所发生变化。CellTagging工具可以允许研究者构建出不同水平的细胞树，这样成功重编程的细胞可以沿着路径被追踪回到它们的早期祖先。

CellTagging技术示意图以及重编程过程中细胞分布

CellTagging和纵向跟踪（longitudinal tracking）从成纤维细胞到诱导的内胚层前体细胞(iEP)重编程过程揭示了两种不同的路径，一种路径是成功被重编程，另一种是“死亡”结局。这两种不同途径在重编程早期就已经被决定。

比较这两种途径基因表达的差异，研究者发现成功重编程途径高表达经典内胚层发育信号，如Wnt,Igf2和HGF。而死亡途径的细胞中成纤维相关基因会被重新活化。此外，研究者发现一种可能的甲基转移酶Mettl7a1与重编程成功途径相关，在重编程诱导分子中加入Mettl7a1可以提高重编程效率。这些结果表明利用这种谱系追技术很好揭示出了直接重编程的动态过程。

CellTagging工具不仅能详细揭示出直接重编程过程，有助于提高重编程效率，对再生医学发展有很重要意义。CellTagging也可以应用于肿瘤研究，可以记录正常细胞怎样走入错误的途径，转化为肿瘤细胞。

参考文献

1.Cahan, P. et al. CellNet: network biology applied to stem cell engineering.Cell158, 903–915 (2014).

2. Morris, S. A. et al. Dissecting engineered cell types and enhancing cell fate conversion via CellNet.Cell158, 889–902 (2014).

3. Brent A. Biddy, WenjunKong, Kenji Kamimoto, Chuner Guo, Sarah E. Waye, Tao Sun, Samantha A.Morris. Single-cell mapping oflineage and identity in direct reprogramming. Nature, 2018;