研究團隊合作建立譜系示蹤新技術并發現成體脂肪干細胞

　　2月10日，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心研究員周斌研究組和上海市胸科醫院教授何奔研究組的合作研究成果，以A Suite of New Dre-recombinase Drivers Markedly Expands the Ability to Perform Intersectional Genetic Targeting為題，在線發表在Cell Stem Cell上。該研究系統建立了雙同源重組酶介導的譜系示蹤及遺傳靶向新技術，并利用新技術發現成體脂肪干細胞（PDGFRa+PDGFRb+細胞）。該研究創建的遺傳新工具和策略適用于多種組織器官的發育、疾病和再生等研究，為深入了解器官發育，組織穩態和再生過程中細胞起源及命運調控機制提供了更好的遺傳工具。

　　闡明器官發育與組織再生中細胞起源和命運調控機制對深入了解體內細胞命運可塑性具有重要意義。Cre-loxP等同源重組酶介導的遺傳譜系示蹤及遺傳靶向操作技術是揭示體內細胞生物學功能的重要工具，可用于深入研究器官發育和再生過程中的分子機制，且是追蹤體內細胞起源和命運調控的重要手段。該技術能否精確進行遺傳操作的關鍵在于驅動Cre表達的基因/啟動子是否特異，目前部分研究中使用的驅動Cre表達的基因/啟動子并不特異，易造成實驗結果的假陽性，以致于在細胞命運和基因功能分析等研究中出現諸多爭議。在以往的研究中，周斌研究組開發了基于Dre-rox與Cre-loxP雙同源重組酶系統的遺傳譜系示蹤新技術，并利用該技術解決了心血管領域中有關成體心臟干細胞的重大科學爭議。在該研究中，科研人員構建了多種基于Cre-loxP和Dre-rox雙同源重組酶系統的遺傳工具小鼠，設計了多種遺傳示蹤和靶向操作的新策略，不僅實現了更為精準地遺傳譜系示蹤和遺傳靶向操作，還拓寬了遺傳示蹤和靶向操作技術使用范圍。利用新的遺傳工具和策略，科研人員通過對脂肪組織深入系統的研究，發現了成體脂肪干細胞。

　　近年來，全球肥胖人數日益增多，肥胖引起的一系列疾病威脅著人們的健康。脂肪細胞數量增加和體積增大是肥胖最主要的特征。肥胖主要是由于白色脂肪細胞的大量堆積，目前，在成體組織穩態和應激條件下，新生白色脂肪細胞的來源并不完全清楚。近十年來，大量研究表明成體白色脂肪細胞的生成是在脂肪組織的血管壁附近進行的。血管壁從內到外主要由三層細胞構成：血管內皮細胞、血管壁細胞（包括周細胞和平滑肌細胞）和成纖維細胞。2008年，Science報道了脂肪干細胞主要來源于血管壁上的周細胞，并利用譜系示蹤技術發現PDGFRb+血管周細胞可以在正常生理條件下產生新的脂肪細胞。隨后，科學家證實了PDGFRb+的血管周細胞可以在應激條件下轉分化為脂肪細胞。然而，2017年，有科學家利用基于Tbx18的遺傳工具對血管周細胞做了更詳盡的細胞譜系示蹤工作，其研究結果否定了血管周細胞是脂肪干細胞的結論。

　　周斌研究組和何奔研究組合作創建了多種新的Dre和Cre工具小鼠，并結合Cre-loxP和Dre-rox雙同源重組酶系統，對脂肪組織中PDGFRb+的細胞和PDGFRa+的細胞進行遺傳譜系示蹤，發現了一個既表達PDGFRa又表達PDGFRb的細胞亞群。利用雙同源重組的譜系示蹤技術，科研人員實現了將PDGFRa單陽性細胞、PDGFRb單陽性細胞和PDGFRa/PDGFRb雙陽性細胞在一個小鼠體內同時進行特異性標記。在冷刺激環境下，科研人員發現只有PDGFRa單陽性細胞和PDGFRa/PDGFRb雙陽性細胞才會轉分化形成脂肪細胞，并揭示了PDGFRa/PDGFRb雙陽性細胞群具有更強的產生新脂肪細胞的能力，該研究首次發現了PDGFRa/PDGFRb雙陽性細胞是成體脂肪干細胞。進一步對小鼠脂肪組織進行單細胞轉錄組測序發現，PDGFRa單陽性細胞亞群和PDGFRa/PDGFRb雙陽性細胞亞群在基因表達水平上具有顯著差異。PDGFRa/PDGFRb雙陽性細胞亞群會高表達Cxcl14，Steap4和Col15a1等基因，而PDGFRa單陽性細胞亞群則高表達Pi16, Sbsn和Dpp4等基因。此外，研究還發現PDGFRa/PDGFRb雙陽性細胞亞群中的上調基因與細胞外組織結構、血管發育、對傷口的應激以及脂肪細胞分化等信號調控等相關。

　　遺傳工具小鼠的局限性導致缺乏特異性靶向白色脂肪細胞和特異性靶向淋巴管內皮細胞的遺傳工具。現有的脂肪細胞Cre工具小鼠會同時靶向白色脂肪細胞和褐色脂肪細胞，而現有的淋巴管內皮細胞Cre的工具小鼠，例如Prox1-Cre在靶向淋巴管內皮細胞的同時也會靶向心肌細胞、肝細胞和神經細胞等其它類型細胞。周斌研究組和何奔研究組在該研究中創建了更精確的基因靶向策略，通過利用雙同源重組的交叉遺傳學設計了“NOT”和“AND”兩種遺傳策略，實現了更精準的譜系示蹤和遺傳靶向操作，用于體內基因功能的研究。利用“NOT”策略，創建了白色脂肪細胞的特異性靶向工具；利用“AND”策略，創建了淋巴管內皮細胞特異性的遺傳靶向工具。

　　綜上，該研究建立和推廣了雙同源重組酶介導的遺傳譜系示蹤和遺傳靶向操作新技術，建立了多種遺傳示蹤和靶向操作的新策略，為多種組織器官的發育、疾病、再生等研究提供了技術基礎。科研人員著重研究了成體脂肪組織中新生脂肪細胞的來源，通過對脂肪組織血管周圍多種不同細胞亞群同時進行遺傳示蹤，發現了成體脂肪干細胞，為進一步研究肥胖及肥胖相關的慢性疾病提供了新方向。為拓展雙同源重組遺傳譜系示蹤技術的應用，該研究分別介紹了“NOT”（如白色脂肪特異性靶向工具）與“AND”（比如淋巴管內皮細胞特異性靶向工具）的應用，為進一步研究白色脂肪細胞與淋巴管內皮細胞的功能調控機制研究提供了更精準的遺傳靶向操作工具。

　　分子細胞卓越中心周斌研究組博士研究生韓溪檬、張震芊、朱歡以及副研究員何靈娟（現西湖大學研究員）為論文共同第一作者。周斌和上海市胸科醫院何奔為該論文共同通訊作者。研究工作得到暨南大學研究員田雪瑩，復旦大學附屬中山醫院教授王利新，上海交通大學附屬第九人民醫院教授段勝仲，上海南方模式生物研究中心教授費儉、博士孫瑞林和王津津等的支持，并獲得分子細胞卓越中心動物平臺和細胞平臺的支持。該研究得到中科院、國家自然科學基金委員會、科學技術部、上海市科學技術委員會等的資助。

分子細胞卓越中心等合作建立譜系示蹤新技術發現成體脂肪干細胞