2021年2月22日，北卡羅來納大學教堂山分校（UNC, Chapel Hill）錢莉教授領導的團隊在Nature Reviews Molecular Cell Biology上發(fā)表了題為Direct Cell Reprogramming: Approaches, Mechanisms and Progress的綜述。該綜述詳細闡述了直接轉(zhuǎn)分化技術的發(fā)展歷史和前景，總結了近年來該技術在分子機制層面上的研究進展，以及利用單細胞組學分析揭示了其內(nèi)在機制與潛在研究方向。利用合適的生物因子組合，不經(jīng)過多能干細胞階段而直接將一種類型的成熟體細胞轉(zhuǎn)化為另一種類型的成熟體細胞的技術被定義為直接重編程技術，或稱為直接轉(zhuǎn)分化技術。目前通過轉(zhuǎn)分化可以獲得的細胞亞型越來越多，在疾病病理機制研究以及治療方面，直接轉(zhuǎn)分化技術具廣闊的應用及研究空間。
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1957年，發(fā)育生物學家Waddington將胚胎干細胞比喻成位于山丘頂部的大理石，而正常細胞的發(fā)育過程則好比是大理石從山頂滾至山谷的過程。不同的滾落途徑，不同的細胞命運，到達不同的終點。這個過程是不可逆的、不可扭轉(zhuǎn)的。然而，1987年Davis 研究團隊首 次報道，通過過表達特定的轉(zhuǎn)錄因子MyoD，可以使小鼠胚胎成纖維細胞轉(zhuǎn)分化為肌細胞。這項發(fā)現(xiàn)表明細胞命運可以被改變，人們也開始重新定義細胞分化的概念。
通過過表達MyoD成功將小鼠的成纖維細胞轉(zhuǎn)分化為肌細胞后，研究人員就開始嘗試使用其他轉(zhuǎn)化因子以及轉(zhuǎn)化因子的組合將成熟體細胞進行轉(zhuǎn)化為另一種細胞。1995年，通過過表達Gata1將禽類骨髓細胞轉(zhuǎn)分化為凝血細胞，以及將巨噬細胞轉(zhuǎn)化為骨髓細胞、紅細胞等。2004年和2006年，通過過表達C/EBP和PU.1可以將完全分化的小鼠前T細胞或B細胞轉(zhuǎn)分化為巨噬細胞。之后測試1000多個轉(zhuǎn)錄因子發(fā)現(xiàn)，g3、Pdx1和Mafa的組合可以將成人胰腺外分泌細胞轉(zhuǎn)分化為小鼠體內(nèi)胰島素分泌細胞。但這些已實現(xiàn)的轉(zhuǎn)分化都發(fā)生在同一胚胎生殖層的細胞之間。
2006年iPSC技術取得重大突破，可以將成熟體細胞恢復到與胚胎干細胞類似狀態(tài)，獲得多功能干細胞。這項突破促使研究人員將體細胞從相同或不同的生殖層轉(zhuǎn)分化為另一類型的細胞。2010年在測試了對心臟發(fā)育至關重要的14個轉(zhuǎn)錄因子之后，通過過表達Gata4、Mef2c和Tbx5將小鼠的成纖維細胞轉(zhuǎn)分化為心肌細胞，這些誘導心肌細胞可以進行活體移植。2012年研究人員發(fā)現(xiàn)使用GMT或GHMT可以將內(nèi)源性心臟成纖維細胞原位誘導轉(zhuǎn)分化為誘導心肌細胞，使得心肌梗塞的骨髓模型中心臟功能得到彌補改善。同一時間有研究表明，通過合適的轉(zhuǎn)錄因子組合可以將小鼠的成纖維細胞轉(zhuǎn)化為誘導神經(jīng)元和誘導肝細胞。
近幾年，隨著單細胞測序技術的發(fā)展，研究人員對直接轉(zhuǎn)分化有了更深層次的理解。從分子機制層面上，直接轉(zhuǎn)分化的發(fā)生依賴以下三個方面。第 一，合適的轉(zhuǎn)錄因子，包括啟動因子和轉(zhuǎn)錄因子組合；第二，表觀遺傳基因重組，包括染色質(zhì)的開放性、組蛋白修飾、組蛋白變體、DNA甲基化等；第三，細胞代謝方式改變。
在轉(zhuǎn)化過程中，直接轉(zhuǎn)分化無需經(jīng)過中間iPSC重置過程，能夠在病變部位原位或體外直接誘導病變細胞轉(zhuǎn)變?yōu)橛泄δ艿陌屑毎愋停瑢崿F(xiàn)細胞再生。對比iPSC轉(zhuǎn)分化需要將體細胞分離并重置回到多功能干細胞狀態(tài)，由他們轉(zhuǎn)分化為不同的體細胞，直接轉(zhuǎn)分化具有更快的特點。此外，直接轉(zhuǎn)分化可以在轉(zhuǎn)分化的細胞中保留細胞的表觀遺傳特征，如年齡特征等。這使得直接轉(zhuǎn)分化獲得的細胞更適合模擬與衰老有關的疾病。
目前雖然在體內(nèi)和體外的多種細胞中實現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)分化，但在臨床上使用這種方法仍面許多挑戰(zhàn)：轉(zhuǎn)化效率低、體外轉(zhuǎn)分化技術不成熟、沒有安全的移植方法、細胞源受限、無法精 準的獲得所需的細胞亞型等。盡管直接轉(zhuǎn)分化的臨床應用具有諸多困難，但直接轉(zhuǎn)分化能夠獲得各種具有年齡、病理特征細胞亞型，能夠很好的模擬患者體內(nèi)的細胞狀態(tài)，并以此建立與疾病相匹配的細胞模型。對于在細胞層面去研究疾病病理機制，這項技術能夠提供充足的研究模型，尤其是神經(jīng)細胞這類十分難以獲取的細胞亞型。
直接轉(zhuǎn)分化為細胞生物學的研究提供了一種新的研究方式，給基礎研究和轉(zhuǎn)化應用提供了一種獨特而有效的方法來制備相匹配的細胞模型。其次直接轉(zhuǎn)分化具有可以在活體器官原位轉(zhuǎn)化的天然優(yōu)勢，在治療人類多種疾病方面具有十分可觀的前景。而且隨著單細胞組學分析技術的飛速發(fā)展，我們現(xiàn)在能夠以前所未有的精 確度和分辨率來研究直接轉(zhuǎn)分化。以當前技術與其他學科相結合，可以更好的了解細胞轉(zhuǎn)分化并以此開發(fā)更多新的治療策略。
寧波易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
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