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Cell子刊:细胞重编程的单细胞分析

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从分化的成熟细胞向全能干细胞状态转变,细胞内的蛋白表达会发生怎样的改变?三月五日在《Cell Stem Cell》发表的一项研究中,来自美国斯坦福大学医学院的研究人员,借助于质谱流式细胞技术 (mass cytometry)进行分析,对细胞重编程的动态变化过程有了更全面的认识。


通过转录因子的强制性表达,可使体细胞重编程为多能状态,这是一个动态的过程。一个体细胞如何成功地进行这一转变,对此我们知之甚少,因为低效率、较长的潜伏时间和非同步进程会阻碍分子分析。随时间推移描述大量细胞群的特征,让我们对整个重编程细胞群的进程有了深刻认识,但经历这个过程的大多数细胞不能重编程,对该过程的整体分析,必然偏向非生产性重编程事件的测量。


为了解决这些问题,一些研究团队试图识别和表征生产性重编程细胞群。转基因化学计量的早期作用是从诱导多能干细胞(iPSCs)的转基因整合位点推断出的,通过依据转基因表达水平分选纤维母细胞。Sox2low、Oct4high、Klf4high,被认为是一个最佳组合,经过表达不同转基因化学计量的多顺反子构件得以进一步验证。单细胞延时成像技术分析显示一种早期的增殖表型。早期的工作揭示了重编程状态的进程,连续获得了多能性标志物碱性磷酸酶、SSEA1、Nanog和Oct4。此外,研究人员观察到,成纤维细胞标记Thy1的抑制和逆转录病毒表达的缺失,发生在这个过程的早期。这些状态的表征显示,两次重编程与c-Myc、Klf4介导的第一次及Oct4、Sox2、Klf4介导的第二次同时出现。


稳定的部分重编程细胞系,已被分离并得以表征。这些部分重编程的细胞在该过程中出现较晚,但是在获得多能性之前,可能来自于多个重编程细胞群,包括成纤维细胞、神经干细胞和B细胞。形态上它们类似于iPSCs,但没有获得多能性,因为它们不能形成畸胎瘤并依赖重编程转基因。虽然这些细胞的大部分在标准条件下没有获得多能性,但是通过5-氮杂胞苷和维生素C或过表达Nanog,可以把它们推向多能状态,从而表明它们类似一个中间状态,在这个状态中有障碍抑制了多能性的获得。


虽然丰富中间体的表征一直是有用的,但分析仍然高度依赖批量细胞群,因为大细胞群的异质性仍然是普遍的。最近,有研究人员试图通过单细胞mRNA分析,鉴定重编程的早期随机阶段,随后是与SOX2表达对应的晚期确定性阶段,来解决这一问题。尽管这项研究的结果很重要,但是其结论可能因在每个时间点测定的样本数相对较小所限制(96个细胞),此外还因为较低的重编程效率,只有2%的细胞可以成功地重新编程。


为此,在这项新的研究中,斯坦福研究小组通过单细胞质谱流式细胞技术(一种流式细胞仪技术,采用稀土金属同位素标记抗体和检测)来表征重编程过程。质谱流式细胞技术产生的结果,与传统的荧光流式细胞术基本相同,但可让我们每秒钟在大约500个细胞中同时测量40多种不同的参数。使用质谱流式细胞技术,该研究小组在重编程的第一个3到4周,分析了三个不同的重编程细胞系。对质谱流式细胞技术数据集进行的时间分辨、高维进展分析,可促进连续的重编程分子图谱的构建。本研究所描述的这种方法和数据集,为重编程优化和其他细胞重编程机制研究、以及随时间动态变化的复杂细胞群研究,提供了宝贵的资源。


原文链接:A Continuous Molecular Roadmap to iPSC Reprogramming through Progression Analysis of Single-Cell Mass Cytometry


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