張鋒最新Cell論文：細胞命運調控可預測

　　全面了解基因調控網絡（GRN）控制細胞狀態是分子生物學的基本目標。轉錄因子（Transcription factors，TF）結合到基因組中的特定序列，以改變基因表達和特定細胞的狀態。單個轉錄因子的過表達就足以導致細胞命運的深刻變化，例如，改變轉錄因子的表達可以誘導多能干細胞向特定類型細胞的再分化。而多個轉錄因子組合的過表達可以在基因調控網絡中產生更大的變化，例如，過表達四個轉錄因子（Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc）就能將成熟細胞重編程為多能干細胞。

　　這些發現強調了轉錄因子驅動細胞狀態變化的力量，也強調了轉錄因子的過表達在理解調控細胞命運的基因表達程序方面的效用。

　　人類基因組中有超過1800個轉錄因子基因位點，它們編碼了超過3500個轉錄因子異構亞型，這創造了一個巨大的基因調控景觀。然而，之前對于這一景觀的研究，要么只能實現篩選廣度，要么只能實現讀出深度。要想完全破譯轉錄因子調控回路，需要一種系統性方法，既能綜合篩選廣度，又能實現讀出深度，尤其是每個轉錄因子誘導的轉錄組變化。

　　近日，張鋒實驗室在 Cell 期刊發表了題為：A transcription factor atlas of directed differentiation 的研究論文。

　　該研究創建了一個涵蓋了人類所有轉錄因子異構亞型（共3548個）的條形碼文庫，并將其用于構建轉錄因子圖譜（TF Atlas），以單細胞分辨率繪制了每個轉錄因子過表達在人類胚胎干細胞（hESCs）中引起的表達譜變化。

　　這個全面的轉錄因子圖譜既可以系統地識別驅動細胞狀態變化的轉錄因子，也可以對孤兒轉錄因子進行分類等研究，還可以用來預測和驗證不同轉錄因子組合對細胞的影響。

　　轉錄因子通過調控基因程序，從而控制不同的細胞過程和細胞狀態。想實現對轉錄因子的過表達有兩種方法，分別是通過CRISPRa來激活內源轉錄因子表達，以及直接過表達轉錄因子的開放閱讀框（ORF）。張鋒團隊在人胚胎干細胞（hESCs）驗證了這兩種不同的過表達方法的效果，結果顯示，直接過表達NEUROD1或NEUROG2的ORF可以誘導hESCs分化為神經元，而CRISPRa則不行，這可能是因為hESCs中存在著轉錄后調控機制，能夠緩沖蛋白質過表達，因此，研究團隊決定使用過表達轉錄因子ORF的方式進行后續研究。

　　為了全面了解轉錄因子及其調控程序，張鋒團隊創建了一個人類轉錄因子條形碼文庫，該文庫由1836個基因編碼的3548個轉錄因子異構亞型組成，涵蓋了人類所有的轉錄因子異構亞型。每個亞型都與一個獨特的條形碼相關聯，便于轉錄因子的識別。

　　為了構建所有轉錄因子過表達效應的轉錄因子圖譜（TF Atlas），研究團隊將上述轉錄因子條形碼文庫轉導到人胚胎干細胞（hESCs）中，并在STEMdiff APEL培養基中培養7天，然后對細胞進行單細胞RNA測序（scRNA-seq），獲得了110萬個單細胞RNA測序結果，從而以單細胞分辨率繪制了過表達每個轉錄因子的人類胚胎干細胞（hESCs）的表達譜。這些結果表明，通過scRNA-seq分析轉錄因子效應的方法最大限度地擴大了轉錄因子誘導細胞狀態的可能范圍，并為詳細描述轉錄因子過表達的影響奠定了基礎。

　　接下來，研究團隊將轉錄因子誘導的表達譜映射到參考細胞類型，并驗證候選轉錄因子用于生成不同的細胞類型，涵蓋所有三個胚層和滋養層細胞。基于這一轉錄因子圖譜，研究團隊還能用于創建定制的細胞疾病模型，并整合mRNA表達和染色體可及性數據，已識別下游調控因子。更重要的是，該轉錄因子圖譜還可以用來預測不同轉錄因子組合對細胞的影響，從而加速細胞工程研究。

　　總的來說，該研究創建了一個全面的人類轉錄因子條形碼文庫和轉錄因子圖譜，并用該圖譜繪制了轉錄因子過表達在人類胚胎干細胞（hESCs）中引起的表達譜變化。這個全面的轉錄因子圖譜既可以系統地識別驅動細胞狀態變化的轉錄因子，構建人類細胞疾病模型，也可以對孤兒轉錄因子進行分類等研究，還可以用來預測和驗證不同轉錄因子組合對細胞的影響。

　　隨著單細胞測序和分析技術的成熟，預計這個轉錄因子圖譜的分辨率將得到進一步提高，這也將為全面了解轉錄因子基因調控網絡奠定基礎。