刘子青:揭秘成纤维细胞转化为心肌细胞机制,成果登《自然》

10月25日,国际权威期刊《Nature》在线刊登中国科大校友刘子青(04少)为第一作者的文章“Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte”。研究人员将微流体单细胞RNA测序与数学建模、遗传方法和化学方法结合在一起,描述了从成纤维细胞到心肌细胞的细胞命运转化期间逐步发生的分子变化。北卡罗莱纳大学教堂山分校Jiandong Liu博士与钱莉博士为文章的通讯作者。

在心脏病发作后,通过逆转瘢痕组织产生健康的心肌组织将会引发心脏学和再生医学领域的变革。在实验室中,科学家们已证实将心脏成纤维细胞(瘢痕组织细胞)转化为心肌细胞是可行的,但是梳理出这是如何发生的细节并不是件容易的事情,而且将这种方法用于临床实践或甚至其他的基础研究项目中一直都是难以实现的。

北卡罗莱纳大学教堂山分校的Jiandong Liu博士和钱莉博士所领导的团队使用单细胞RNA测序技术来攻克这一局限,获得了小鼠成纤维细胞诱导成心肌细胞过程中,早期的全转录组数据变化。随后,他们利用开发的算法,找到了诱导过程中,分子性质迥异的细胞亚群,并由此描绘出了诱导心肌细胞形成过程中的途径。进一步的研究表明Ptbp1能阻碍成纤维细胞形成心肌细胞特异的RNA剪接模式,表明了它在诱导心肌细胞中的重要作用。与之一致,当Ptbp1基因被抑制后,心肌细胞的诱导效率有所提高。这项研究表明,通过单细胞转录组分析,能让我们找到处于过渡态的细胞亚群,从而找到对于细胞诱导过程至关重要的基因通路。

钱莉博士实验室开创了直接心脏重编程(direct cardiac reprogramming)方法,并且在过去几年对这种方法进行优化。作为心脏再生和疾病建模的一种有前景的方法,它涉及将心脏中的非心肌细胞直接转化为非常类似于内源性心肌细胞的诱导性心肌细胞(induced cardiomyocytes, iCM)。就像任何重编程过程那样,接受重编程的很多细胞并不会同时发生重编程。这意味着这是一种“异步(asynchronous)”过程。转化在不同的时间发生。因此,在这个过程的任何阶段,细胞群体总是含有未转化的细胞、部分重编程细胞和完全重编程细胞。换言之,细胞重编程是“异质的(heterogeneous)”,这就使得很难利用传统方法开展分析。

在这项新的研究中,通过利用微流体单细胞RNA测序技术,钱莉博士实验室解决了“异步”编程和异质细胞群体这两个主要的问题。他们在从成纤维细胞到iCM的命运转化期间分析了全局转录组变化。

利用数学算法,这些研究人员在这种重编程过程中鉴定出具有不同分子特征的细胞亚群。随后,他们基于模拟和实验验证,重建了iCM形成路径。这些路径为他们提供了前所未有的高分辨率路线图,以便在未来研究这种细胞转化机制。

图片来源自《Nature》文章https://www.nature.com/articles/nature24454

这些发现在临床上很重要。比如,人们知道在心脏病发作后,受损区域周围的心脏成纤维细胞会立即被激活,并且发生高度地增殖,但是这种增殖能力随着时间的推移而减少。如何利用成纤维细胞在心脏病发作过程中和结束后的不同细胞周期状态应当会扩大细胞重编程的应用范围和优化细胞转化结果。

钱莉博士团队揭示出细胞增殖和细胞重编程之间的路径。他们也提供实验证据来证实改变初始的成纤维细胞的细胞周期状态会改变新的心肌细胞形成结果。她的团队发现成纤维细胞亚群的分子特征在重编程期间受到不同程度的抑制,这提示着细胞的重编程敏感性是存在差别的。

令人关注的是,这种重编程敏感性与心脏发育期间的心肌细胞分化时间相符合。似乎在心脏发育较早阶段出现的中间阶段细胞群体似乎更强有力地抵抗这些变化。这提示着近期的细胞表观遗传记忆可能更加容易被擦除,因此更容易将具有这些表观遗传特征的成纤维细胞亚群转化为心肌细胞。通过进一步分析重编程期间的全局基因表达变化,研究人员意料之外地鉴定出参与mRNA加工和剪接的因子发生下调。

钱莉博士团队继续对最优先考虑的候选因子—剪接因子Ptbp1—开展详细的功能分析。有证据提示着它是成纤维细胞获得心肌细胞特异性的剪接模式的一种关键的阻碍物。钱莉博士团队的研究证实剔除Ptbp1促进更多的iCM产生。

图片来源自《Nature》文章https://www.nature.com/articles/nature24454

进一步的定量分析揭示出每种重编程因子(即Mef2、Gata4、Tbx5和DsRed,让成纤维细胞表达这四种重编程因子,会让它们转化为iCM)的表达与单个成纤维细胞的重编程过程进展存在着一种很强的关联性,而且导致发现新的富集iCM的表面标志物。

钱莉博士说,“我认为这篇论文中的这种跨学科方法是非常强大的。它协助我们鉴定出之前未被识别的功能或机制,以及更好地理解细胞的性质和疾病的进展。最终,这种方法可能不仅让心脏病患者受益,而且也造福于癌症、糖尿病、神经系统疾病和其他疾病的患者。”

刘子青(04少)简介

刘子青博士于2004年从湖南省攸县考入科大少年班(0400),一年后转入生物系(0408)。在校期间表现优秀,连续三年获得优秀学生奖学金并于2006年通过选拔代表科大赴香港科大(HKUST)交流学习。2007年随队代表科大赴麻省理工参加iGEM大赛(国际基因工程机器大赛),进入决赛并获得最佳基础技术奖。2008年她赴美国印第安纳大学攻读博士学位,在 Johnny He教授的指导下研究丙型肝炎病毒在细胞间的传染途径以及该病毒造成神经系统伤害的机理。2014年博士毕业后,她加入了Li Qian(钱莉)教授在北卡罗来纳大学(UNC)的实验室,致力于研究心肌细胞重编程(direct cardiac reprogramming)的分子和细胞机制。在三年半的时间里,她主导了多个项目并与实验室内部和来自其他大学的合作者一起在国际知名期刊上包括Nature,Cell Stem Cell,Cell Reports,Circulation Research等发表了七篇论文,包括四篇一作及共一作。得益于本科期间全面扎实的数理化和计算机基础,她成功的将单细胞表达组测序(Single Cell RNA Sequencing)这一新兴技术应用到她的科研中并展示了这一技术在细胞命运决定机制的研究中的独特优势。她的研究成果进一步阐释了心肌细胞重编程的分子机制,发现了多种进一步提高重编程效率的方式,使得这一突破性的技术离临床应用更近了一步。未来刘子青博士将会继续她在心血管领域的基础研究,并期待在不远的将来实验室里的研究成果能够真正造福全世界数以亿计的心血管病患者。

刘子青博士不仅热爱科研,实验室之外的她还有着广泛的兴趣爱好。大学期间她曾担任校广播站的新闻主播并在04级学校毕业晚会上表演独唱。2004-2005年她曾代表少年班院足球队和篮球队夺得巾帼杯足球赛冠军一次,亚军一次,以及校际篮球赛冠军。2006-2007年她曾两次代表中国科大以及中科院参加安徽省以及全国体育代表大会并获得安徽省定向越野大赛女子组个人赛冠军及团体赛冠军。来到美国后她依然热爱户外运动和中国传统文化。远足,网球和潜水都是她的爱好,而滑雪则是最爱。由于出色的语言和主持功底,她从众多候选人中脱颖而出,被选中主持2014年北卡三角区的中秋晚会并在此后,多次主持北卡三角区华人社区的各类晚会。她还于2015年加入了阳光舞团学习中国古典舞且多次随团演出。她相信,生活和科研一样,都需要开心且坚定的走下去。

2017-11-30 上一篇: 无冕之王文小刚摘凝聚态物理最高荣誉Buckley奖 下一篇: No More Content!