【儀表網 研發(fā)快訊】3月18日，Cell Stem Cell以封面文章的形式在線發(fā)表了中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心(神經科學研究所)、神經科學國家重點實驗室陳躍軍研究組與其他科研機構合作完成的題為《人神經分化過程中跨時間段的克隆譜系追蹤》的研究論文。該研究通過建立能夠跨分化階段高通量譜系示蹤新技術——SISBAR，解析了人多能干細胞分化為人腹側中后腦神經細胞的單細胞譜系，發(fā)現(xiàn)了許多新的譜系分化路徑和分子調控機制，進一步展示了基于SISBAR技術的新發(fā)現(xiàn)在改進帕金森癥細胞治療策略中的應用。SISBAR技術有望為干細胞研究帶來新突破。
 

　　發(fā)育與干細胞生物學中的基礎性問題之一是如何解析生物體內不同細胞類型之間的發(fā)育譜系關系。解析這些譜系關系能夠更加深入地解析生命體的正常發(fā)育過程以及病理狀態(tài)(包括癌癥與發(fā)育障礙)下的分子機制，為操縱在體細胞分化命運，優(yōu)化體外細胞分化方法，以及促進基于細胞替代療法的再生醫(yī)學的發(fā)展提供線索。然而，經典的正向譜系追蹤和逆向譜系追蹤方法，主要用于解析同一個分化/發(fā)育時間點不同細胞類型之間的譜系關系，而不能同時提供在上一個階段與它們有親緣關系的前體細胞的身份特征。如何持續(xù)地追蹤細胞在多個分化/發(fā)育時間點的細胞狀態(tài)，從而描繪更完整的細胞發(fā)育路徑，是發(fā)育學領域中亟待解決的問題。
 

　　針對以上問題，該團隊通過結合病毒介導的細胞條形碼標記技術、單細胞測序技術以及克隆分離策略，開發(fā)了SISBAR技術，并應用在基于人多能干細胞的神經分化模型中。SISBAR技術可以跨分化階段追蹤單個前體細胞衍生的譜系克隆，同時獲取該前體細胞的單細胞轉錄組信息(圖A)。該團隊一直致力于人多能干細胞神經分化技術的開發(fā)和神經系統(tǒng)疾病的細胞治療研究，建立了將人多能干細胞分化為人腹側中腦和后腦細胞的方法，其中包含可用于帕金森癥細胞替代療法的關鍵細胞類型——中腦多巴胺能神經元(Cell Stem Cell 2016；Cell Stem Cell 2021；JCI 2022)。
 

　　科研團隊將SISBAR技術應用于人腹側中后腦的體外分化體系，建立了“潛能視角”“起源視角”的譜系分析方法來分別解析由轉錄組定義的不同細胞類型的分化潛能及分化起源，從而構建了一個多層級的譜系樹來描繪整個分化過程(圖B)。這一多層級譜系樹揭示了中后腦細胞分化過程中許多之前未被報道的發(fā)散型和匯聚型跨階段譜系分化路徑。該研究還揭示了跨分化階段的群體水平譜系和克隆水平譜系之間的關系：在發(fā)散型譜系關系中，同種類型的前體細胞(單細胞轉錄組定義的細胞簇)中單個前體細胞的命運可以不同；不同前體細胞差異的分化命運的集合代表了該前體細胞類型在群體水平的分化命運。在匯聚型譜系關系中，研究發(fā)現(xiàn)同種類型子代細胞中的單個細胞可以有不同的譜系起源，且這些不同來源的子代細胞會帶有其親代細胞獨特的基因印跡(圖C-D)。
 

　　研究進一步展示了基于SISBAR技術的跨分化階段譜系關系和相關分子調控機制的解析在神經系統(tǒng)疾病細胞治療中的應用。利用SISBAR技術，研究發(fā)現(xiàn)中腦多巴胺能神經前體細胞具有至少三種命運分化潛能，包括中腦多巴胺能神經元、中腦谷氨酸能神經元、血管軟腦膜樣細胞(VLMCs)。研究還鑒定了早期中腦多巴胺能神經前體細胞的特異性表面分子標記物APCDD1(圖E)。研究顯示，將表達APCDD1的神經前體細胞進行流式分選并移植到帕金森病模型小鼠的紋狀體后，移植物中目的細胞-中腦多巴胺能神經元的比例得到顯著提高(圖F)。同時，與通過SISBAR技術發(fā)現(xiàn)的中腦多巴胺能神經前體細胞多分化潛能的結果一致，研究在APCDD1分選的移植物中檢測到中腦谷氨酸能神經元和一種血管軟腦膜樣細胞，這展示了SISBAR技術在改進細胞治療策略和預測移植細胞體內分化命運中的應用。
 

　　基于人多能干細胞的細胞替代療法在治療許多用傳統(tǒng)藥物難以治愈的疾病(如帕金森癥)方面具有廣闊的應用前景。然而，人多能干細胞分化得到的供體細胞(細胞藥物)存在顯著的異質性，這將導致供體細胞和移植物中目的細胞的低比例和細胞組成的不穩(wěn)定性，阻礙了細胞替代療法在臨床上更廣泛地應用。可以預見的是，作為一種通用型技術，SISBAR能夠廣泛地應用于包括神經分化在內的基于人多能干細胞的體外分化系統(tǒng)中，構建整個分化過程的譜系發(fā)育樹，解析譜系分化的分子調控機制，使我們更好地探討目的細胞和非目的細胞在分化過程中產生的機制，從而改進細胞治療策略，獲得更安全穩(wěn)定的細胞治療結果。同時，SISBAR還為我們解析細胞分化/發(fā)育過程中的譜系關系提供了新的方法和視角，是經典譜系追蹤方法的重要補充。本研究中群體水平譜系和克隆水平譜系關系的解析，為探索細胞分化分過程中復雜而精確的細胞命運決定事件奠定了重要的理論基礎。
 

　　研究工作得到中科院、科技部、國家自然科學基金和上海市科學技術委員會的支持。
 

　　(A)用于跨時間點克隆譜系追蹤的SISBAR實驗設計示意圖。(B)跨越四個分化階段多層級譜系樹，展示了不同分化時間段不同細胞類型之間顯著的遺傳譜系關系。(C-D)兩種不同的匯聚型譜系分化路徑示意圖。(E)特異性表達在中腦多巴胺能神經元早期前體細胞中的基因。(F)未分選的神經前體細胞和APCDD1+神經前體細胞衍生的移植物典型圖和移植物中TH+神經元的比例，hN，人源細胞核。比例尺，大圖中為100 μm，小圖中為20 μm。