撰文 | 奚望
责编 | 兮
干细胞领域和组织工程领域的目标，是方便可控地产生出任何细胞系或组织，供基础科学研究和药物发现。为了实现这个目标，具有强大的扩增能力和分化潜力人类诱导多性能干细胞（hiPSC）是一个完美的起点。然而，当前绝大多数类型的细胞分化依旧缺乏可靠的实验方案。一种方案的思路是模拟细胞在胚胎中的实际发育过程。但特异的发育环境是不容易复制的，其中有许多复杂因素需要调控，如细胞的时空位置，细胞数量等等。这使得大批量生产变得困难。同时，有些实验方案还依赖于溶剂或压力等外界信号刺激，进一步限制了在同一培养中分化出多种细胞的可能。
另一种思路是通过激活某种或某些转录因子直接诱导细胞分化。这种方法已经被用于细胞系间的转分化，和干细胞的重编程以及再分化。目前，人们选择转录因子的方法，要么是使用已知同发育相关的因子，要么是基于计算机预测。人们还尚未全面地检测过人体内约1600种转录因子中，到底哪些能导致细胞的分化。
2020年11月30日，哈佛医学院George Church与德国德累斯顿工业大学Volker Busskamp合作在Nature Biotechnology发表题为“A comprehensive library of human transcription factors for cell fate engineering”的文章。他们构建了由1564个人类转录因子，包括1732个剪切异构体构成的DNA文库，称其为人类转录因子组。他们将所有的转录因子转入人类诱导多性能干细胞，从而筛选出了具有诱导干细胞分化能力的转录因子。
研究者在克隆或合成转录因子DNA后，将其转入强力霉素诱导的慢病毒载体。通过控制载体与细胞的比例，他们确保每个细胞最多获得一个载体。研究者对三种hiPSC（PGP1, CRTD5 and ATCC-DYS0100）分别进行了载体转入，以此消除由hiPSC个体间差异造成的影响。在激活转录因子四天之后，他们依靠多能性标志基因的表达水平来鉴定细胞是否具备多能性，并用FACS将细胞区分开，然后找出已分化细胞中富集的转录因子。
研究者发现了290个转录因子可以在至少诱导至少两种干细胞的分化，65个转录因子能诱导全部三种干细胞的分化。其中包括已知的具备诱导分化能力了的因子，如NEUROG1和ASCL1，但大部分（241个和54个）以前并未被报道过。研究者使用精度更高的PiggyBac转座子技术确认了这些因子的诱导能力。接着，他们展示了三种新的诱导因子：ATOH1诱导hiPSC分化为神经元，并能观察到动作电势；NKX3-1诱导hiPSC分化为成纤维细胞，并能产生胶原实现组织愈伤；ETV2的二型剪切异构体诱导hiPSC分化为类血管内皮细胞，并具备血管生成能力。
由于转录因子激活十分便捷，研究者接着将转入以上三种转录因子的细胞两两共培养，来探索构建负责组织的潜力。结果显示在激活四天后，每一种细胞都以相似的比例存在于细胞群中。研究者进一步将三种细胞同时培养，并使用单细胞测序确认了每种细胞的转录表达特征明显差别，且伴随着细胞特异标志基因的表达。
在脑类细胞工程中，髓鞘形成通常要花费大量时间。为了解决这个问题，作者使用SOX9将hiPSC诱导为少突胶质细胞。分化后的细胞在基因表达层面展现出了胶质细胞的特征。他们接着将该细胞与hiPSC诱导的神经元细胞共培养，在转录因子激活的三天后就观察到诱导胶质细胞与诱导神经元细胞的突触发生接触，并开始了髓鞘覆盖的过程。不仅如此，SOX9诱导的胶质细胞还能在髓鞘碱性蛋白基因敲除的小鼠大脑内生成厚厚的髓鞘。
在这项研究展现出的巨大潜力之外，作者还强调了需要对多种细胞平行分化与单独分化间的差别做进一步研究。对于人类转录因子组得出的结果进行解释，也需要结合发育生物学，计算系统生物学和功能性试验等多方面知识与技术。
https://doi.org/10.1038/s41587-020-0742-6
制版人：Kira