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10x案例解析 | 單細胞測序分析細胞重編程過程,重建細胞發育分化軌跡
發布日期:2019-08-26瀏覽:
幾種轉錄因子混合物使各種體細胞類型成功重編程為不同神經遞質表型的誘導神經元(induced neurons, iN)。然而,驅動重編程軌跡朝向不同誘導神經元類型的中間狀態的性質在很大程度上是未知的。
 
作者通過強制表達Ascl1和Sox2,重建成人大腦周細胞直接向iNs譜系轉化的軌跡。深入研究初始細胞群的異質性對成功重編程細胞的貢獻。通過識別具有不同重編程能力的細胞,重建細胞發育分化軌跡,從而在成功的轉換過程中發現細胞分化的中間狀態。研究由德國美因茨大學醫學中心完成,發表于2018年7月Nat Neurosci. (IF: 19.912)。
 
 
 
核心技術
 
高通量單細胞轉錄組平臺:10x Chromium™
低通量單細胞轉錄組平臺:Fluidigm C1
器官/細胞類型:重編程周細胞
 
研究方法
 
 
主要內容
 
1. Ascl1與Sox2協同誘導周細胞重編程,使周細胞內的神經元基因表達
 
利用Bulk RNA-seq和scRNA-seq技術檢測:單一轉錄因子或聯合轉錄因子誘導后與control相比對周細胞基因表達程序的影響差異(2 dpi vs control,7 dpi vs control),結果表明Ascl1與Sox2協同誘導顯著改變了基因的表達,誘導表達了大量與神經發生相關的基因。
 
2. 周細胞異質性和重編程能力
 
  scRNA-seq分析顯示,發現兩群初始周細胞,具有不同的基因表達富集,在轉錄組和蛋白組呈現一致。重編程能力存在明顯差異:
 
• 只有一組可以重編程,將周細胞成功重編程為不同神經遞質表型的誘導神經元(iN)
 
?• 另一組可獨特編程下丘腦神經元但缺乏其他神經元編程能力
 
3. 擬時軌跡分析周細胞重編程過程
 
通過擬時軌跡分析,重建可編程的周細胞發展為iNs的軌跡:
 
• 周細胞marker基因逐漸被下調
 
• 開關基因(調控細胞信號通路):早期上調→后期下調
 
• 與獲得神經元命運相關的基因逐漸上調
 
• 轉錄組水平的基因表達特征與實時成像下的細胞形態特征相符
 
 
 
4. 信號通路調節神經細胞干性和分化方向
 
抑制和阻斷BMP信號轉導,促進重編程和神經元成熟:
形態學變復雜,細胞體積變大
 
• 大多數AS和ASD iNs表現出前腦gaba能神經元表達程序(DLX基因家族)
 
• “開關基因”神經干細胞樣基因瞬時表達,神經干細胞樣程序被瞬時激活,在譜系分叉前發生并停止
 
• “開關基因”在可重編程周細胞到iNS細胞之間發生表達;
 
• 在另外一組周細胞中“開關基因”不表達(表明神經干細胞樣狀態的獲得在周細胞重編程到iNS的過程中至關重要)。
 
 
 
研究結論
 
1. 為iN重編程的生物學基礎提供了新的見解,闡明了Ascl1和Sox2這兩種轉錄因子在生成不同的神經元亞型方面的協作能力,這種協作在人類大腦發育過程中可能是相關的。
2. 作者鑒定了iN重編程期間的細胞中間產物和譜系分叉的分子程序,這為改善人腦常駐細胞向治療相關細胞類型的譜系轉換提供了途徑。
 
參考文獻
Karow M, Camp JG, Falk S, et al. Direct pericyte-to-neuron reprogramming via unfolding of a neural stem cell-like program. Nat Neurosci. 2018 Jul;21(7):932-940. doi: 10.1038/s41593-018-0168-3.
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