计算指南提高蜂窝转换效率
我们迫切需要产生各种类型的细胞，用于新疗法，以取代因疾病或损伤而丢失的组织，或用于体外研究，以增进我们对器官和组织在健康和疾病中如何运作的理解。许多研究都是从人类诱导多能干细胞(iPSCs)开始的，理论上，这种干细胞在适当的培养条件下几乎可以分化成任何类型的细胞。2012年诺贝尔奖授予了山中伸弥(Shinya Yamanaka)，表彰了他发现的一种策略，即通过向成年细胞提供一组确定的基因调控转录因子(tf)，将其重新编程为iPSCs。然而，在此基础上，有效地生成广泛的具有组织特异性分化功能的细胞类型用于生物医学应用仍然是一个挑战。
虽然iPSC中细胞类型特异性TF的表达是最常用的细胞转换技术，但目前引导iPSC通过不同的“谱系阶段”达到完全功能分化状态的效率很低，例如，特定的心脏、大脑或免疫细胞，这主要是因为最有效的TF组合不容易确定。指导细胞通过特定细胞分化过程的tf结合到基因的调控区域，以控制它们在基因组中的表达。然而，多个tf必须在更大的基因调节网络(grn)的背景下发挥作用，以驱动细胞在其谱系中的进展，直到达到最终的分化状态。
现在，由哈佛大学威斯生物工程研究所和哈佛医学院(HMS)的George Church博士和西班牙巴斯克研究和技术联盟成员CIC bioGUNE和卢森堡系统生物医学中心(LCSB，卢森堡大学)的计算生物学小组的Antonio del Sol博士领导的一项合作努力，开发了一种名为IRENE的计算机引导设计工具，它通过预测细胞类型特异性tf的高效组合，极大地帮助提高细胞转换的效率。通过将IRENE与基因组整合系统相结合，允许在iPSCs中选择的tf的强大表达，该团队证明了他们的方法可以产生更多数量的自然杀伤细胞用于免疫治疗，以及用于皮肤移植的黑素细胞。在科学上第一次，产生了乳腺上皮细胞，其可用性对于手术切除的乳腺组织的再生是非常可取的。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。
“在我们的团队中，这项研究自然建立在‘tome’项目的基础上，该项目汇集了一个包含1564个人类TF的综合库，作为识别TF组合的强大资源，这些TF组合具有增强的能力，可以将人类iPSCs重编程为不同的靶细胞类型，”Wyss核心教员Church说。“这种计算算法的有效性将促进我们在Wyss研究所和HMS的组织工程工作，作为一个开放资源，可以为这个新兴领域的许多研究人员做同样的事情。”Church是Wyss研究所合成生物学平台的负责人，也是HMS的遗传学教授，哈佛大学和麻省理工学院的健康科学与技术教授。
工具了
已经开发了几种计算工具来预测特定细胞转换的tf组合，但几乎完全是基于对许多细胞类型的基因表达模式的分析。这些方法缺乏表观遗传学的观点，即基因组本身围绕基因的组织，以及整个染色体片段的规模，这远远超出了裸基因组DNA的序列。
“在分化细胞中不断变化的表观遗传景观预测了基因组中正在发生物理变化的区域，这些变化对关键tf获得其靶基因至关重要。分析这些变化可以更准确地了解grn及其参与的驱动特定细胞转换的tf，”共同第一作者Evan Appleton博士说。Appleton是Church团队的博士后研究员，他与del Sol团队的Sascha Jung博士在这项新研究中合作。“我们在西班牙的合作者开发了一种计算方法，将这些表观遗传变化与基因表达的变化结合起来，以产生关键的TF组合作为输出，我们处于测试的理想位置。”
该团队使用他们的计算“整合基因调控网络模型”(IRENE)方法重建控制iPSCs的GRN，然后将重点放在三种与临床相关的靶细胞类型上，通过实验验证IRENE优先考虑的TF组合。为了将TF组合传递到iPSCs中，他们部署了一个基于转座子的基因组集成系统，该系统可以将编码TF的基因的多个副本集成到基因组中，从而允许组合的所有因子稳定表达。转座子是一种DNA元件，可以从基因组的一个位置跳到另一个位置，在这种情况下，可以从外源提供的DNA片段跳到基因组中。
“我们的研究团队由来自LCSB和CIC bioGUNE的科学家组成，在开发计算方法以促进细胞转换方面拥有长期的专业知识。IRENE是我们工具箱中的一个额外资源，实验验证表明，它在大多数测试案例中大大提高了效率，”通讯作者Del Sol，他是LCSB和CIC bioGUNE的教授。“我们的基础研究最终应该有益于患者，我们很高兴IRENE可以提高治疗应用中易于使用的细胞源的生产，如细胞移植和基因治疗。”
在细胞中验证计算机引导的设计工具
研究人员选择人类乳腺上皮细胞(HMECs)作为第一种细胞类型。到目前为止，hmec是从一个组织环境中获得的，分离，并移植到一个乳房组织被切除的组织中。从患者细胞中产生的hmec，通过中间的iPSC阶段，可以提供一种微创和更有效的乳腺组织再生手段。IRENE生成的其中一种组合使研究小组能够在ipsc特异性培养基中将14%的iPSCs转化为分化的hmec，这表明所提供的tf足以在没有其他因素帮助的情况下推动转化。
研究小组随后将注意力转向了黑素细胞，它可以在细胞移植中提供细胞来源，以替代受损的皮肤。这一次，他们在黑素细胞目标培养基中进行了细胞转换，以表明所选的tf在针对所需细胞类型优化的培养条件下工作。与在没有tf的目的培养基中生长的iPSCs相比，四种组合中有两种能够将黑素细胞转化效率提高900%。最后，研究人员将IRENE优先考虑的tf组合与仅基于细胞培养条件的最先进的分化方法进行了比较，以生成自然杀伤细胞(NK细胞)。免疫NK细胞已被发现可以改善白血病的治疗。研究人员的方法优于标准，8种组合中的5种将具有关键标记的NK细胞的分化增加了高达250%。
“这种新颖的计算方法可以极大地促进Wyss研究所和世界各地许多其他地点的一系列细胞和组织工程工作。这一进步将大大扩大我们的工具箱，因为我们努力开发再生医学的新方法来改善患者的生活，”Wyss创始董事唐纳德·英格伯(Donald Ingber)说，他也是HMS和波士顿儿童医院的犹大·福克曼血管生物学教授，以及哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院的生物工程教授。
参考:Jung S, Appleton E, Ali M, Church GM, del Sol A.一个计算机引导的设计工具，以提高细胞转换的效率。Nat。Commun．2021; 12(1): 1659。doi:10.1038 / s41467 - 021 - 21801 - 4
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