MADISON - 诱导多能干(iPS)细胞是现代生物医学研究中最重要的工具之一，为精准医学带来了新的和有希望的可能性。要创造它们需要将一种类型的细胞(如皮肤)转化为空白板块，因此它有可能成为体内任何其他类型的细胞，可用于从心脏病到糖尿病的各种再生疗法。
然而，目前诱导多能性的方法是低效的：在一批100个细胞中进行重编程，只有五个左右完成转变。威斯康星大学麦迪逊分校威斯康星大学发现研究所(WID)和医学与公共卫生学院的一组研究小组今天[2019年5月7日]在Cell Reports上发表的一项新研究可以提高效率。
它描述了组合的实验室和计算方法，可以更好地完成多能性，更快的过程，并更好地理解细胞如何从一种细胞类型重新编程到另一种细胞类型，例如，将皮肤细胞转化为心脏细胞。作者说，这包括一些惊喜。
“正在进行重新编程的细胞不必逐步进行，”该研究的主要作者之一研究生Zafirah Zaidan说。
传统上，科学家认为某些步骤必须在重新编程过程中顺序发生。这是基于在不同时间点对整个细胞群体的基因表达的测量，导致整个组的平均表达谱。他们认为，对于一个成功重新编程的细胞，在研究人员开启其成为新类型的能力之前，必须抑制或“关闭”编码分化细胞(皮肤)特定功能的基因。细胞(心脏)。
但当研究领导者Rupa Sridharan，一位研究细胞命运表观遗传学的WID细胞和再生生物学教授，开始一次检查单个细胞时，一种称为scRNA-seq的技术，她的研究小组发现个体细胞可以激活多能性在不关闭其分化特征的情况下的特性。换句话说，皮肤细胞在开始成为心脏细胞的过程之前不必完全放弃成为皮肤细胞。
Sridharan的团队使用由WID的生物统计学和医学信息学教授共同作者Sushmita Roy开发的算法来进行分析。Roy是使用统计计算方法识别调节基因网络，基因集合和修饰它们的分子的专家，这些分子在发育，细胞分化和环境线索的响应中相互作用。
“scRNA-seq正在彻底改变生物学，并开辟了很多机会来获得基因调控网络的高分辨率视图，”Roy说。
这种洞察力使研究团队能够发现个体细胞之间出现的差异，而罗伊认为这只是一个开端。该工具可以应用于其他类似的生物学问题，例如了解功能细胞如何变成肿瘤。
“开发正确类型的计算工具以充分释放这些单细胞RNA-seq数据集的潜力有很大的空间，”她说。
与此同时，Sridharan表示，能够在不关闭其差异化特征的情况下打开多能性的细胞可能是完成转变的良好候选者。专注于此类细胞可能是提高效率的途径。
她的实验室已成功使用药物，通过调节信号传导和其他基因调控途径帮助克服有效重编程的障碍。其中包括一种新的小分子混合物，它可以在iPS细胞中快速启动细胞周期，帮助它们更快地到达新的命运。该研究发现，这可以将成功率提高到40%左右，并缩短诱导多能性的时间尺度。
Sridharan说，添加下调分化特征的分子可以进一步提高效率，尽管该研究没有对此进行测试。在单细胞水平上分析表观基因组将允许她确定哪些基因准备好在表达甚至开始之前改变表达。
Roy的算法还可以深入了解监管网络如何随化学混合物的变化而变化。确定接下来要添加的小分子可能是进一步提高效率的关键。通过结合实验室和计算工具，Sridharan问道：“我们能理性地想出那个分子应该是什么吗?”答案可能会影响再生疗法和精准医学的未来。
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