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Cell Stem Cell:构建单细胞图谱,将心脏瘢痕组织细胞重编程为健康的心肌细胞

来源:本站原创 2019-06-25 15:18

2019年6月25日讯/生物谷BIOON/---每年有79万名美国人遭受心脏病发作,这会让受损的瘢痕组织存在于心脏中,并限制心脏的高效跳动能力。但是,如果科学家们能够将称为成纤维细胞的瘢痕组织细胞重编程为健康的心肌细胞会怎样呢?人们通过实验室实验和小鼠研究在这方面取得了很大进展,但人类心脏重编程仍然是一项巨大的挑战。

如今,在一项新的研究中,来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校和加州大学欧文分校的研究人员首次开发出一种稳定的可重复使用的将人成纤维细胞重编程为心肌细胞的简约平台。通过利用最新的单细胞技术和数学模拟,他们绘制出高分辨率的分子路线图,以便指导精确和有效的重编程。相关研究结果于2019年6月20日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Single-Cell Transcriptomic Analyses of Cell Fate Transitions during Human Cardiac Reprogramming”。论文通讯作者为北卡罗来纳大学教堂山分校麦卡利斯特心脏研究所副主任、病理学与检验医学副教授Li Qian博士。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.stem.2019.05.020。

在过去十年里,Qian是心脏重编程研究的先驱。她的实验室开展的这项最新研究推动针对人类患者的心脏重新编程更接近现实,并且着眼于帮助数百万人从心脏病发作中康复过来。

Qian说,“我们相信,我们将生物实验与单细胞基因组分析相结合的跨学科方法将启发未来理解人心肌细胞特性并将这些知识转化为再生疗法的关键步骤。”

Qian和她的团队将三种基因Mef2c、Gata4和Tbx5的混合物以特定的优化剂量导入人心脏成纤维细胞中。为了提高效率,他们筛选了一系列补充因子并鉴定出一种称为MIR-133的小RNA分子。将MIR-133添加到这种三基因混合物中---以及进一步的体外培养调整---可以高达40%~60%的效率将人心脏成纤维细胞重编程为心肌细胞。

接下来,Qian团队试图解答这种将人心脏成纤维细胞转化为心肌细胞的过程如何发挥作用。为了解答这个问题,他们研究了整个重编程过程中细胞的分子变化。他们的分析鉴定出这个重编程过程中的一个关键点,即细胞必须“决定”是继续向前变成心肌细胞,还是后退继续维持它们之前的成纤维细胞命运。一旦这个过程开始启动,一套信号分子和蛋白将细胞推向不同的分子途径上,这决定了它们产生的细胞类型。

这些研究人员还构建出一种独特的细胞命运指数(cell fate index)来定量评估这种重编程过程的进展。通过使用这种指数,他们确定人类心脏重编程的进展速度比先前描述的小鼠心脏重编程慢得多,这揭示了物种和重编程条件之间的关键差异。

Qian说道,“你能够把这个细胞重编程过程想象成谷歌上的地图路线。初始的形成瘢痕组织的成纤维细胞就像是汽车寻找合适的GPS指令让它们回家---变成心肌细胞。我们的研究鉴定出路障、错误的出口斜坡和加油站,以便将成纤维细胞送到我们想要的目的地。我们新开发出的细胞命运指数就像仪表板上的仪表一样,可以预测离家有多远。”

这项研究阐明了之前未被识别的人心脏重编程特征,并提供了新的研究工具,以更好地了解人体内细胞命运转变和重编程的过程。

Qian补充道,“我们的单细胞分析方法和新算法当然可用于研究其他的生物过程,包括分化、去分化或细胞的药物反应。这种研究方法并不局限于心脏,但是心脏病仍然是世界头号杀手,也是我们实验室的主要关注点。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Yang Zhou et al. Single-Cell Transcriptomic Analyses of Cell Fate Transitions during Human Cardiac Reprogramming. Cell, 2019, doi:10.1016/j.stem.2019.05.020.
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