Cell：新研究有望增加干細胞重編程效率

　　單細胞RNA測序（scRNA-seq）可揭示單個細胞在一個給定時刻表達哪些基因，并且能夠提供關于細胞隨時間的推移如何發生變化的大量數據。然而，scRNA-seq會破壞細胞，因此科學家們無法精確追蹤細胞從一種狀態轉變到另一種狀態時所采用的發育路徑。因此，人們并未太多地了解細胞在正常胚胎發育過程中或者當從一種成熟狀態重編程為一種干細胞狀態時如何發生轉化。

　　在一項新的研究中，為了解決這個問題，來自美國布羅德研究所的研究人員利用一種強大的稱為“最佳運輸（optimal transport）”的數學方法構建出一種稱為Waddington-OT的框架。他們隨后在對干細胞重編程開展的大規模scRNA-seq時間進程研究中使用這種方法來預測細胞群體如何從一種狀態轉變到另一種狀態。它為生物界提供了新的分析能力和巨大的發育路徑數據。相關研究結果在2019年2月7日的Cell期刊上，論文標題為“Optimal-Transport Analysis of Single-Cell Gene Expression Identifies Developmental Trajectories in Reprogramming”。

　　具體而言，這些研究人員在追蹤將成熟細胞（在這項研究中，指的是小鼠成纖維細胞）重編程為誘導性多能干細胞（ipsC）的發育過程的大規模scRNA-seq研究中使用了Waddington-OT。

　　這項新的研究涉及兩個獨立的重編程實驗。起初，這些研究人員在16天內每隔48小時收集一次樣品，從而產生大約6.5萬個scRNA-seq基因表達譜。當這給出了有希望的結果時，他們在18天內每隔12個小時收集一次樣品。總體而言，他們產生了31.5多萬個scRNA-seq基因表達譜，這是迄今為止同類研究中規模最大的。

　　在將Waddington-OT應用于所產生的數據集后，這些研究人員發現細胞重編程引起的發育程序和狀態變化比之前認為的更加廣泛。比如，在這種重編程過進展到一天半中，他們觀察到這些細胞開始分為兩個主要的細胞群體：一個細胞群體產生基質樣細胞（支持性的結構和結締組織細胞）；另一個細胞群體經歷上皮-間質轉化（epithelial-mesenchymal transition, EMT），產生類似于ipsC、神經元和胎盤細胞的細胞。此外，他們觀察到這些早期的細胞命運并非是固定的：在一個細胞群體中開始發育的一些細胞隨后轉化為另一個細胞群體中的細胞。

　　在隨后的實驗中，這些研究人員根據Waddington-OT的預測結果，探究了將一種稱為Obox6的轉錄因子和一種稱為GDF9的細胞因子添加到重編程細胞中如何可能影響重編程效率。正如Waddington-OT所預測的那樣，這兩種蛋白因子增強干細胞增殖，這就表明Waddington-OT可能有機會改善這種重編程過程的效率。