现在非常需要产生各种类型的细胞,用于新的领域,以取代因损伤而丢失的组织,或用于人体以外的研究,以提高我们对器官和组织在健康和疾病中的作用的理解。其中许多都会使用人类诱导的多能干细胞(IPSCs),从理论上讲,IPSCs有能力在适当的培养条件下分化为几乎任何类型的细胞。2012年授予山中信也(ShinyaYamanaka)的诺贝尔奖承认,他发现了一种策略,可以通过向成人细胞提供一套明确的基因调控转录因子(TFs),将成体细胞重新编程成IPSCs。然而,从那里发展到高效地产生具有组织特异性分化功能的广泛的细胞类型,用于生物医学应用仍然是一个挑战。 Credit: Wyss Institute at Harvard University 虽然细胞类型特异性TFs在IPSCs中的表达是最常用的细胞转换技术,但引导IPSC通过不同的"谱系阶段"以达到特定心脏、大脑或免疫细胞的功能分化状态目前效率很低,主要原因是因为最有效的TF组合难以确定。TFs指导细胞通过特定的细胞分化过程,与基因的调控区结合,以控制其在基因组中的表达。然而,多个TFs必须在更大的基因调控网络(GRNs)的背景下发挥作用,以推动细胞在其家族中的发展,直到达到最终的分化状态。 现在,由哈佛大学怀斯生物启发工程研究所(Wyss Institute For Biology Institution Engineering)和哈佛医学院(Harvard Medical School)博士乔治·丘奇(George Church)和西班牙巴斯克研究与技术联盟(Basque Research And Technology Alliance)成员、负责计算生物学小组的安东尼奥·德尔索尔(Antonio Del Sol)和卢森堡系统生物医学中心(LCSB,卢森堡大学)的合作努力,开发出了一种计算机引导的设计工具,名为艾琳(Irene),它通过预测特定细胞类型的TFs的高效组合,大大有助于提高细胞转换的效率。通过将艾琳与一个基因组整合系统结合起来,从而使选定的TFs在IPSCs中得到强有力的表达,该团队展示了他们的方法,以产生更多用于免疫的自然杀伤细胞和用于皮肤移植的黑素细胞,而不是其他方法。在科学的第一次,产生的乳腺上皮细胞,这些细胞的可用性将是非常理想的重新繁殖手术切除的乳腺组织。 "在我们的小组中,这项研究自然建立在‘TFome’项目的基础上,该项目建立了一个包含1,564个人类TFs的综合图书馆,作为一个强大的资源,用于识别TF组合,增强将人类IPSCs重新编程到不同目标细胞类型的能力,"Wyss学院一位成员说。"这种计算算法的有效性将促进我们在Wyss研究所和HMS组织工程方面的许多努力,而且作为一个开放资源,在这一新兴领域的许多研究人员也可以做到这一点。" 已经开发了几种计算工具来预测特定细胞转化的TFs组合,但这些工具几乎都是基于对许多细胞类型的基因表达模式的分析。在这些方法中缺少的是表观遗传学景观,基因组本身围绕基因的组织,以及整个染色体片段的规模,这远远超出了裸基因组DNA的序列范围。 第一作者埃文·阿普尔顿(Evan Appleton),他在这项新的研究中与德尔索尔的团队合作,他说:"在分化细胞中,表观遗传格局的变化预测了基因组中发生物理变化的区域,这些变化对于关键的TFs获取目标基因至关重要。分析这些变化可以更准确地了解GRN及其参与的推动特定细胞转化的TFs。"埃文·阿普尔顿博士是丘奇小组的博士后研究员,在这项新的研究中加入了Sascha Jung博士的团队。"我们在西班牙的合作者开发了一种计算方法,将表观遗传变化与基因表达的变化结合起来,产生关键的TF组合作为输出,这是我们理想的测试条件。" 研究小组使用他们计算的"整合基因调控网络模型"(艾琳)方法重建了GRN控制的IPSCs,然后重点研究了三种与临床相关的靶细胞类型,以实验验证艾琳优先排序的TF组合。为了将TF组合到ipSCs中,他们部署了一个基于转座子的基因组整合系统,该系统可以将编码TF的基因的多个拷贝整合到基因组中,从而使一个组合的所有因素都能稳定地表达。转座子是一种DNA元素,可以从基因组的一个位置跳到另一个位置,或者在这种情况下,从外部提供的DNA片段跳到基因组中。 "我们的研究团队由来自LCSB和CIC生物GUNE的科学家组成,他们在开发计算方法以促进细胞转换方面有着长期的专长。艾琳是我们工具箱中的一个额外资源,它的实验验证证明它在大多数测试案例中大大提高了效率,"相应的作者德尔索尔,他是LCSB和CIC BioGUNE的教授。"我们的基础研究最终会使病人受益,我们很高兴艾琳能够促进细胞来源的产生,这些来源可以很容易地用于如细胞移植和基因疗法。" 验证单元中计算机引导的设计工具 研究人员选择人类乳腺上皮细胞(HMECs)作为第一种细胞类型。到目前为止,HMECs是从一个组织环境中分离出来的,并被移植到一个已经切除乳房组织的组织中。由患者的细胞产生的HMECs,通过IPSC的中间阶段,可以提供一种更少的侵袭性和更有效的乳腺组织再生的手段。艾琳产生的组合之一使团队能够将14%的IPSCs转化为IPSC特有的文化媒体中的HMECs,这表明所提供的TFs足以在不受其他因素帮助的情况下推动这种转换。 然后,研究小组将注意力转向黑素细胞,它可以提供细胞移植中的细胞来源,以替代受损的皮肤。这一次,他们在黑素细胞目的地培养基中进行细胞转换,以表明所选的TFs在适合所需细胞类型的培养条件下工作。与在不含TFs的目的培养基中生长的IPSCs相比,每四个组合中有两个组合能使黑素细胞转化效率提高900%。最后,研究人员比较了艾琳排序生成自然杀伤(NK)细胞的TFs与仅基于细胞培养条件的最先进的分化方法的组合。研究人员的方法优于标准,八种组合中有五种提高了NK的分化程度。细胞关键标记达到250%。 怀斯基金会主任唐纳德·英伯(Donald Ingber)博士兼HMS和波士顿儿童医院血管生物学教授、哈佛约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(Harvard John A.Paulson School of Engineering and ApplicationSciences)生物工程教授说:"这种新颖的计算方法可以极大地促进怀斯研究所(Wyss Institute)和世界各地许多其他地点的细胞和组织工程努力。随着我们努力开发再生医学的新方法,改善患者的生活,这一进步将大大扩展我们的工具箱。" 更多资料:Jung, S., et al. (2021) A computer-guided design tool to increase the efficiency of cellular conversions. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-021-21801-4.