構建單細胞圖譜，將心臟細胞重編程為健康的心肌細胞

　　每年有79萬名美國人遭受心臟病發作，這會讓受損的瘢痕組織存在于心臟中，并限制心臟的高效跳動能力。但是，如果科學家們能夠將稱為成纖維細胞的瘢痕組織細胞重編程為健康的心肌細胞會怎樣呢？人們通過實驗室實驗和小鼠研究在這方面取得了很大進展，但人類心臟重編程仍然是一項巨大的挑戰。

　　如今，在一項新的研究中，來自美國北卡羅來納大學教堂山分校和加州大學歐文分校的研究人員首次開發出一種穩定的可重復使用的將人成纖維細胞重編程為心肌細胞的簡約平臺。通過利用最新的單細胞技術和數學模擬，他們繪制出高分辨率的分子路線圖，以便指導精確和有效的重編程。相關研究結果于2019年6月20日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為“Single-Cell Transcriptomic Analyses of Cell Fate Transitions during Human Cardiac Reprogramming”。論文通訊作者為北卡羅來納大學教堂山分校麥卡利斯特心臟研究所副主任、病理學與檢驗醫學副教授Li Qian博士。

圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.stem.2019.05.020。

　　在過去十年里，Qian是心臟重編程研究的先驅。她的實驗室開展的這項最新研究推動針對人類患者的心臟重新編程更接近現實，并且著眼于幫助數百萬人從心臟病發作中康復過來。

　　Qian說，“我們相信，我們將生物實驗與單細胞基因組分析相結合的跨學科方法將啟發未來理解人心肌細胞特性并將這些知識轉化為再生療法的關鍵步驟。”

　　Qian和她的團隊將三種基因Mef2c、Gata4和Tbx5的混合物以特定的優化劑量導入人心臟成纖維細胞中。為了提高效率，他們篩選了一系列補充因子并鑒定出一種稱為MIR-133的小RNA分子。將MIR-133添加到這種三基因混合物中---以及進一步的體外培養調整---可以高達40%～60%的效率將人心臟成纖維細胞重編程為心肌細胞。

　　接下來，Qian團隊試圖解答這種將人心臟成纖維細胞轉化為心肌細胞的過程如何發揮作用。為了解答這個問題，他們研究了整個重編程過程中細胞的分子變化。他們的分析鑒定出這個重編程過程中的一個關鍵點，即細胞必須“決定”是繼續向前變成心肌細胞，還是后退繼續維持它們之前的成纖維細胞命運。一旦這個過程開始啟動，一套信號分子和蛋白將細胞推向不同的分子途徑上，這決定了它們產生的細胞類型。

　　這些研究人員還構建出一種獨特的細胞命運指數（cell fate index）來定量評估這種重編程過程的進展。通過使用這種指數，他們確定人類心臟重編程的進展速度比先前描述的小鼠心臟重編程慢得多，這揭示了物種和重編程條件之間的關鍵差異。

　　Qian說道，“你能夠把這個細胞重編程過程想象成谷歌上的地圖路線。初始的形成瘢痕組織的成纖維細胞就像是汽車尋找合適的GPS指令讓它們回家---變成心肌細胞。我們的研究鑒定出路障、錯誤的出口斜坡和加油站，以便將成纖維細胞送到我們想要的目的地。我們新開發出的細胞命運指數就像儀表板上的儀表一樣，可以預測離家有多遠。”

　　這項研究闡明了之前未被識別的人心臟重編程特征，并提供了新的研究工具，以更好地了解人體內細胞命運轉變和重編程的過程。

　　Qian補充道，“我們的單細胞分析方法和新算法當然可用于研究其他的生物過程，包括分化、去分化或細胞的藥物反應。這種研究方法并不局限于心臟，但是心臟病仍然是世界頭號殺手，也是我們實驗室的主要關注點。”

　　參考資料：

　　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.