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刘峰团队Dev Cell：揭示转分化的炎性驱动力

2024-03-21 11:58

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学

Life science

2024年3月19日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Developmental Cell上以“Single-cell omics identifies inflammatory signaling as a trans-differentiation trigger in mouse embryos”为题发表研究论文。该论文利用单细胞联合组学和功能分析，发现炎性信号可以作为转分化过程中一种共性驱动力。刘峰教授为论文通讯作者。山东大学生命科学学院博士后张一帆和中国科学院动物研究所博士研究生康志鑫为论文的共同第一作者。

转分化是实现细胞命运重编程的方式之一。转分化无需经过多潜能细胞状态，便能直接地产生新的细胞类型。基于此特点，在组织损伤修复或再生过程中，将损伤部位存留的其它正常细胞原位转分化为受损细胞，是目前研究热点之一。因此，该过程的转化过渡态和驱动机制急需深入表征和解析，以期实现转分化的转化应用价值。

在脊椎动物胚胎发育过程中，转分化为一些细胞谱系的建立提供了全新路径。例如，脊椎动物造血干/祖细胞源于内皮细胞，该转分化过程被称为“内皮–造血转化（Endothelial-to-hematopoietic transition，EHT）”，主要发生于胚胎主动脉腹侧壁；在哺乳动物心脏和骨髓发育过程中，心脏瓣膜和骨髓间质细胞可以通过内皮细胞转分化产生，该过程被称为“内皮–间质转化（Endothelial-to-mesenchymal transition，EndoMT）”；在哺乳动物胚层建立和组织器官形成时期，“上皮–间质转化（Epithelial-to-mesenchymal transition，EMT）”参与原肠运动、神经嵴发育、消化道发育等众多生物学过程。尽管这些转分化过程发生在不同位点、涉及不同的初始和终末细胞状态也存在不同的核心调控网络，但它们是否具备共性特征和普适性调控原理仍缺少研究。

在本工作中，研究人员首先对小鼠胚胎主动脉区CD31+细胞（包括内皮细胞、过渡态细胞和造血干/祖细胞前体细胞）进行了单细胞转录组测序，同时也收集了已发表的小鼠胚胎骨髓EndoMT和胚胎小肠EMT单细胞转录组数据。通过对这些数据进行定量得分分析和联合对比分析，研究人员发现，三种转分化过渡态均具有：（1）增强的命运可塑性（转录组熵值）；（2）起始/终末态双潜能特征（转录因子表达得分）；（3）临界转变状态特征（动态网络生物标记得分）以及（4）富集的炎性基因表达特征。鉴于促炎因子白介素33（Interleukin-33，IL-33）可以驱动EndoMT和EMT，研究人员通过功能实验发现外源添加IL-33也能够驱动主动脉区EHT，这说明IL-33可以作为这三种转分化过程中的一个共性驱动因子。为了动态模拟转分化过程并鉴定关键驱动信号，研究人员以EHT为例重构了转录组向量场（一种基于细胞转录状态预测细胞命运的算法），结果发现过渡态命运转化关键节点存在明显的炎性基因转录特征。值得注意的是，该团队既往一项研究发现TLR4–MyD88–NF-κB炎性信号通路能调控造血干/祖细胞产生，这些发现说明炎性信号是EHT的关键驱动信号；研究人员同时也对EHT进行了单细胞染色质开放性分析，结果发现炎性基因调控元件的染色质在过渡态中呈现开放状态。为了进一步解析炎性信号调控机制，研究人员筛选得到了一个炎性信号效应转录因子Spi1，通过构建内皮细胞基因敲除小鼠品系，发现EHT和造血干/祖细胞产生受损。对该突变体进行单细胞转录组/染色质开放性联合分析，研究人员发现过渡态中造血分子程序未正常启动，而内皮分子程序和EndoMT/间质细胞分子程序呈现过度或异常激活状态，这说明Spi1对于维持EHT分子程序有序动态变化至关重要。最后，研究人员通过外源添加白介素和过表达Spi1可以诱导小鼠胎肝/骨髓内皮细胞（生理情况下无EHT能力）发生EHT并产生血细胞，这说明操纵炎性因子及其效应因子组成的信号轴可以驱动转分化的发生。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请刘峰教授代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

本文的研究亮点有哪些？

刘峰教授：

一是我们采用了多种基因表达特征定量指标来揭示转分化过渡态的共性分子特点；二是揭示了转分化过渡态均具有炎性基因表达特征并鉴定了一个共性驱动因子IL-33；三是以EHT为例揭示了染色质开放状态预先决定了过渡态中炎性基因的激活；四是揭示了白介素和炎性效应转录因子Spi1组成的信号轴对EHT的关键调控作用。

CellPress：

炎性信号为什么会成为不同转分化过程中的一种共性驱动力？

刘峰教授：

命运已经特化的细胞进行转分化是需要跨越谱系屏障（Lineage barrier），常见的诱导转分化手段是过表达目标谱系核心转录因子。我们和其他一些团队的研究发现，炎性信号既可以直接激活目标谱系核心转录因子表达，也可以通过靶向表观调控因子来促进表观重编程。这说明其可以作为转分化的驱动力。此外，炎性信号既可以来源于细胞外微环境髓系血细胞也可以来源于细胞内激活的重复序列及其引发的天然免疫信号，这说明炎性信号的激活可能不具有细胞类型特异性，因此能够在不同的转分化过程中都发挥作用。

CellPress：

该研究对于实现转分化的转化应用价值有何启示？

刘峰教授：

在我们的工作中，我们用白介素和转录因子Spi1过表达的策略将不能自发进行EHT的内皮细胞诱导产生了血细胞。基于此，未来可以尝试用“炎性因子+核心转录因子”的组合方式诱导更多种类的细胞发生转分化，以期扩大组织器官修复和再生的细胞来源。