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引言转分化代表了直接的谱系转换；然而，对这一过程的描述不足阻碍了其潜在的应用。2024年3月19日，山东大学刘峰团队（张一帆及康志鑫为论文的共同第一作者）在Developmental Cell  在线发表题为“Single-cell omics identifies inflammatory signaling as a trans-differentiation trigger in mouse embryos”的研究论文，该研究利用单细胞组学鉴定炎症信号作为小鼠胚胎的转分化触发器。为了探索转分化的潜在普遍原理，该研究在小鼠胚胎中进行了内皮到造血转化(EHT)、内皮到间充质转化和上皮到间充质转化的单细胞转录组分析。应用熵、细胞型特征转录因子表达和关键过渡信号三个评分指标来显示支持过渡状态命运可塑性的共同特征。跨模型比较确定了炎症特征的过渡状态和白细胞介素-33在促进命运转换中的共同触发作用。多模式分析(整合转录组学和染色质可及性分析)证明了造血规范的炎症调节。此外，多模态组学和命运定位分析表明，内皮特异性Spi1作为炎症效应因子，控制着适当的染色质可及性和转录程序，以保护EHT。总的来说，该研究使用单细胞组学来识别关键的过渡状态/信号以及炎症信号在发育应激诱导的命运转换中的常见触发作用。Waddington的表观遗传景观一直被认为是描述细胞从全能性状态到终末分化状态的一个隐喻该景观具有三个基本要素，即细胞类型/状态、分化路径和基因调控网络(GRN)后来，细胞重编程的成就补充了Wadding的景观。细胞重编程对再生医学至关重要。从一个成熟谱系到另一个成熟谱系的转分化是细胞重编程的主要途径通过操纵确定的因素成功的转分化表明，稳定的细胞状态在Waddington的表观遗传景观可以克服障碍，直接改变他们的命运。虽然获得具有明确功能的终末细胞是成功的转分化的标志，但对过渡状态、动态过渡路径和复杂GRN的全面理解仍然是转分化领域的重大挑战。在脊椎动物的最终造血干细胞和祖细胞(HSPC)生成过程中，内皮到造血转化(EHT)是一个被充分研究的转分化范式。在小鼠中，主动脉-性腺-中肾(AGM)中的扁平动脉内皮细胞(AECs)首先特化为具有内皮-造血双重电位的造血内皮细胞(HECs)然后，HECs萌发形成主动脉内造血集群(IAHCs)，其中包含造血祖细胞(HPCs)和造血干细胞(HSCs)的未成熟前体(1型[T1]和2型[T2]前造血干细胞)。此外，内皮-间充质转化(EndoMT)和上皮-间充质转化(EMT)也是两种典型的转分化模式，在组织发育、再生和肿瘤发生中起着至关重要的作用。与EHT类似，EndoMT和EMT也有一系列的过渡状态。尽管现有的研究为转分化提供了丰富的组学和实验数据资源，但要获得指导其广泛应用的通用原理仍然是一个巨大的挑战。模式图（Credit: Developmental Cell）体内细胞命运的转变通常由输入刺激介导，如发育线索或损伤诱导的应激炎症信号在感染或炎症期间负责防御病原体和维持机体稳态，也调节着自然或应激条件下的命运转变。在最终的HSPC出现时，toll样受体4下游的炎症信号或被干扰素、肿瘤坏死因子α和白细胞介素激活，指示EHT。内皮功能障碍时，炎症反应诱导EndoMT，进一步导致血管系统缺陷当在小鼠成纤维细胞中强制转录因子(TF) Etv2过表达以实现内皮细胞重编程时，在重编程成纤维细胞中存在激活的炎症信号通路。此外，逆转录病毒介导的多能重编程或成纤维细胞到内皮细胞(EC)的转分化导致先天免疫反应和炎症信号的激活，这有助于有效的细胞命运重编程。这些研究促使人们重新审视炎症信号在细胞命运转变中的特定作用。该研究进行了单细胞组学分析和功能分析，以揭示小鼠胚胎中EHT、EndoMT和EMT的潜在共同分子特征和机制。研究发现由炎症信号和下游效应TF介导的发育应激负责天然转分化。激活免疫/炎症信号的富集是EHT、EndoMT和EMT过渡状态的共同特征;同时，已知的EndoMT/ EMT调节剂促炎白细胞介素-33 (IL-33)通过其受体抑制致瘤性2 (ST2)触发EHT。该研究基于目前可用的单细胞转录组数据集和实验验证，提供了一个框架来表征反式分化的过渡状态和信号触发因素。将该框架应用于疾病相关数据集还可以帮助解码疾病进展过程中的关键转变，例如正常细胞向肿瘤细胞的转化。原文链接https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1016/j.devcel.2024.02.010责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Nature | 破除传统：为何我们需要重新思考肿瘤的命名方式热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

近日，来自美国的Gameto公司宣布，他们将研发利用人类诱导性多功能干细胞（iPSCs）进行诱导生长的卵巢类器官模型-ovaroid。这一全人源卵巢类器官能够复制卵巢的许多关键功能，这标志着我们在女性生殖健康方面的研究又向前迈进了一大步，为不孕不育和卵巢癌等女性疾病带来颠覆性的治疗手段。此项技术的核心即利用iPSC诱导生成组成卵泡的最大细胞群—颗粒细胞来进一步得到健全的卵巢类器官。颗粒细胞是一种卵巢合成和分泌抑制素、雌激素的主要功能细胞，这些颗粒样细胞具有与人类胎儿卵巢细胞相似的转录组，并涵盖了关键的卵巢表型，包括卵泡形成和类固醇激素生成。这项全新的技术相比早期通过构建的人/小鼠混合卵巢类器官的方法效率提速数倍。其实不光是在生殖科学方面，iPS细胞目前已经应用于疾病治疗、器官移植、生物修复等领域，也可以使用患者自身所提供诱导的ips细胞来进行试验，筛选出最合适的药物。全球范围内已有多个产品进入了临床实验阶段，包括囊性纤维化、眼科类的退行性疾病、神经退行性疾病以及多种肿瘤，新冠肺炎后遗症的恢复也是目前火热的研究方向。iPS细胞避开了利用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约，避免了异体移植免疫排斥的风险，同时在建立包括脑、肠、肝脏、胰腺、肾及肺等相关的多种类器官疾病模型、药物筛选和开发等领域具有重大潜在价值。国内企业研发管线科学家为了充分利用iPS细胞这一强大的细胞武器，对其进行了深入的研究，这时候一种特殊的蛋白进入了大众视野。Vitronectin玻连蛋白是一种结构蛋白，可在细胞外基质中形成纤维状网络结构，参与细胞外基质与细胞内骨架的连接，对细胞的粘附、迁移、增殖、分化等过程发挥重要作用。研究人员发现Vitronectin蛋白与iPS细胞的生成和分化密切相关，在iPSC细胞的生成和维持过程中发挥了关键作用【1】。这篇发表在顶刊Nature Mehods上的研究细致的探索了适宜人类iPS细胞生长诱导的最佳培养条件，确立了Vitronectin蛋白的重要地位。Fig1：玻连蛋白涂层提高iPS细胞衍生效率研究小组最惊讶的是人类iPS细胞生长不需要许多早期认为必须的营养物质，但是Vitronectin蛋白的添加却是必须的。与传统的培养基相比，加入Vitronectin蛋白可以显著提高iPSC细胞的生长速率和维持多能性的能力，这对于后续临床上的操作利用具有重要意义。在此基础上来自我国的科研小组在实验中发现，当iPS细胞在涂有vitronectin蛋白的基质上培养时，这些细胞更容易分化为血细胞。这引起了研究小组成员极大的研究兴趣，希望从分子水平探究这背后的作用机制。在实验中，研究人员通过添加不同浓度的Vitronectin蛋白，观察iPS细胞分化情况，并利用流式细胞术和免疫荧光染色等技术对分化细胞进行鉴定。Fig2：玻连蛋白促进iPS细胞早期造血实验结果显示添加vitronectin蛋白在第4天和第6天有效地促进了内皮样细胞的分化和增殖，可以清楚地观察到具有圆形形状的造血样细胞和经历 EHT 的内皮样细胞【2】。科学家想到αvβ3 和 αvβ5 可以整联蛋白在血管生成中介导Vitronectin蛋白功能【3】。整合素是一种细胞表面受体，能够将细胞与其外界环境连接起来，并参与细胞的迁移、增殖、分化等过程。αvβ3和αvβ5整合素能够与Vitronectin蛋白结合，并通过激活信号通路来促进干细胞向造血细胞系分化。进一步使用RNA干扰技术进行实验发现，αvβ3和αvβ5整合素可能是通过激活Focal adhesion kinase (FAK)和Phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K)信号通路来促进造血系细胞的分化。除了在干细胞分化中的重要作用外，Vitronectin蛋白还可以影响干细胞的迁移和增殖。研究表明，Vitronectin蛋白可以促进干细胞的迁移，并且这种效应与αvβ3和αvβ5整合素的表达水平相关；另外，Vitronectin蛋白能够促进干细胞的增殖，这种效应可能与Vitronectin蛋白与另一种整合素αvβ1的结合有关【4】。Vitronectin蛋白在iPSC细胞的培养和应用中具有重要意义。作为一种高效、可靠的细胞培养试剂，Vitronectin蛋白可以显著提高iPS细胞的生长和增殖速率，并促进其向特定细胞系的分化，在最大程度上为iPS细胞研究和应用开辟新的道路。Vitronectin蛋白和iPS细胞的组合在干细胞治疗和再生医学领域已经崭露头角，这样的黄金拍档将在未来给我们带来更多的惊喜和冲击。同立海源Vitronectin蛋白目前市场上能够提供Vitronectin蛋白的厂家还很少，提供定量标准的也只有进口厂家，且定量方法并非基于iPSC，而Vitronectin与其他常用细胞因子不同，目前暂无国际标准品可作为定量标准，这对用户来说需要花费大量时间和经济成本进行测试，确定实际用量浓度。同立海源可提供全长序列的Vitronectin蛋白（货号：GMP-TL651），并在iPSC应用方面成功建立了定量测活方法，可提供每批次确定的ED50值，方便iPSC客户的研究应用。从数据结果来看，同立海源的Vitronectin蛋白可有效促进iPSC的贴壁及扩增，多批次产品间的ED50值稳定，iPSC的贴壁效果（ED90更高）优于竞品。N0.1 活性测试Activity testing图1：Vitronectin蛋白活性定量实验N0.2 贴壁效果Wall adhesion effect图2：iPSC贴壁效果（5μg/mL）N0.3 扩增效果Amplification effect产品浓度D3扩增倍数倍增时间同立海源（GMP-TL651）5μg/mL3.0638H竞品R5μg/mL2.9839H图3：添加Vitronectin培养的iPSC扩增对比扫码申请试用试用活动细则：1.活动时间：即日起-2023年4月30日；2.试用规格：25μg/支；3.免费试用名额有限，每个客户限申请一次（注：同一导师或同一公司为同一客户，不累计赠送）；4.申请要求：申请信息完整，能够近期开展实验；5.其他说明：试用结束后，反馈试用结果；6.本次活动最终解释权归北京同立海源生物科技有限公司所有。参考文献：【1】 Chen G, Gulbranson DR, Hou Z, Bolin JM, Ruotti V, Probasco MD, Smuga-Otto K, Howden SE, Diol NR, Propson NE, Wagner R, Lee GO, Antosiewicz-Bourget J, Teng JM, Thomson JA. Chemically defined conditions for human iPSC derivation and culture. Nat Methods. 2011 May;8(5):424-9.【2】 Shen J, Zhu Y, Zhang S, Lyu S, Lyu C, Feng Z, Hoyle DL, Wang ZZ, Cheng T. Vitronectin-activated αvβ3 and αvβ5 integrin signalling specifies haematopoietic fate in human pluripotent stem cells. Cell Prolif. 2021 Apr;54(4):e13012.【3】 Erdreich-Epstein A, Shimada H, Groshen S, Liu M, Metelitsa LS, Kim KS, Stins MF, Seeger RC, Durden DL. Integrins alpha(v)beta3 and alpha(v)beta5 are expressed by endothelium of high-risk neuroblastoma and their inhibition is associated with increased endogenous ceramide. Cancer Res. 2000 Feb 1;60(3):712-21.【4】 Cai L, Dewi RE, Goldstone AB, Cohen JE, Steele AN, Woo YJ, Heilshorn SC. Regulating Stem Cell Secretome Using Injectable Hydrogels with In Situ Network Formation. Adv Healthc Mater. 2016 Nov;5(21):2758-2764.关于同立海源北京同立海源生物科技有限公司，成立于2011年，专注细胞和基因治疗（CGT）上游GMP级原料试剂研发，致力于为生命科学提供可靠的产品与服务。产品涉及细胞分选磁珠试剂，真核/原核重组蛋白、无血清培养基、细胞培养试剂盒、转染试剂、基因编辑工具酶等。为细胞和基因治疗药物、抗体药物开发、细胞储存等生物制药和IVD领域提供核心原料试剂与服务。公司建有2000m2的研发实验室及GMP级洁净车间，包括真核与原核蛋白表达工程平台、细胞培养技术开发平台、体外诊断试剂生产平台，通过ISO13485和ISO9001双认证，部分产品已获美国FDA DMF备案。

导读：造血干细胞移植可用于治疗某些癌症和遗传性疾病。造血干细胞分化成血系，并在受体的一生中自我更新。多能干细胞品系可以解决目前HLA匹配供体的短缺问题，并提供丰富的转基因干细胞来源用于治疗遗传性血液疾病，包括免疫缺陷和代谢紊乱。研究人员开发了一种微流体培养系统来模仿原始胚胎循环，并解决了循环流动和剪切应力增强胚胎血液发育的假设。胚胎造血来自人多能干细胞，并通过小分子操作TGF-β和WNT信号传导从中胚层诱导。近日，澳大利亚新南威尔士大学和墨尔本大学的研究团队在《Cell Reports》上发表了研究成果。研究表明在实验室中使用微流体设备模拟胚胎心脏跳动，可诱导人类造血干细胞前体的发育，这些前体可进一步发育成造血干细胞。https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)01167-6#%20造血干细胞 01 造血干细胞是可以分化出所有血细胞的干细胞。人类的造血干细胞在胚龄第2～3周时开始产生，主要产生位置在卵黄囊。胚龄第2～3月时，主要产生造血干细胞的位置在肝和脾。胚龄第5个月起，一直到出生之后，主要产生造血干细胞的位置则在骨髓。造血干细胞分化出的血细胞可以分成两大群系：骨髓群系和淋巴群系，两者皆参与树突状细胞的形成。骨髓群系的细胞包含有：单核球、巨噬细胞、嗜中性白血细胞、嗜碱性白血细胞、嗜酸性白血细胞、红血细胞、巨核细胞和血小板。淋巴群系的细胞则有：T细胞、B细胞、自然杀手细胞等。造血干细胞的移植可用来治疗癌症和其他免疫性疾病。造血干细胞移植可用于治疗某些癌症和遗传性疾病。造血干细胞分化成血系，并在受体的一生中自我更新。多能干细胞品系可以解决目前HLA匹配供体的短缺问题，并提供丰富的转基因干细胞来源用于治疗遗传性血液疾病，包括免疫缺陷和代谢紊乱。微流体培养系统 02科学家很久前就开始研究诱导性多能干细胞，但如何在实验室中人工安全地模拟人体内的细胞分化，以提供有针对性的医学治疗仍然是一个挑战。尝试在实验室中制造造血干细胞，可解决供体造血干细胞短缺的问题。但目前这一设想尚未被实现。了解胚胎发育微环境中发生的所有过程对于制造造血干细胞有很大意义，心血管系统和主动脉的发育与最终造血功能的发育密不可分。在胚胎发育过程中，血细胞通过内皮-造血转换过程从造血内皮细胞衍生而来，EHT最初发生在卵黄囊中，然后发生在胚胎中。在胚胎中，成体HSC的前体首先出现在主动脉-性腺-中肾区域，形成主动脉内造血簇。从人类胚胎干细胞分化出HOXA+造血脉管系统是AGM衍生的造血干细胞谱系发育所必需的。脉动性主动脉血流产生主动脉壁剪切应力和周向拉伸被假设为驱动EHT的机械因素，但是其对HOXA+造血生态位和AGM衍生的造血干细胞谱系发育的影响尚未可知。为此，研究人员开发了一种微流体培养系统来模仿原始胚胎循环，并解决了循环流动和剪切应力增强胚胎血液发育的假设。胚胎造血来自人多能干细胞，并通过小分子操作TGF-β和WNT信号传导从中胚层诱导。微流体培养系统模拟诱导造血干细胞前体发育 03 EHT在人胚胎主动脉中的直接可视化是不可能的，因此目前的知识依赖于微解剖的人胚胎主动脉的单细胞转录组学和hESC衍生造血。因此，研究人员利用微流体脉冲发生器，以模拟和观察胚胎循环对hESC衍生血液形成。MPG驱动具有2-3μL循环体积的微流体回路周围的流动。在贴壁细胞层上再循环的条件培养基充分混合并每天更换。结果表明RUNX1C-GFP+在EHT后上调。免疫表型分析显示更多数量的RUNX1C-GFP+、SOX17-mCHERRY+和CD34+细胞，以及红细胞、骨髓、巨核细胞和祖细胞。轨道振荡器培养产生循环 HOXA 多系造血前体细胞轨道振荡器培养为研究循环流动的影响提供了另一种模型。平衡实验设计和因子分析用于量化循环流和SB / CHIR培养对SOX17-mCHERRY血管形成，造血前体形成和单细胞基因转录和固定培养分别作为SB / CHIR处理和轨道振荡器培养的对照。轨道振动系统培养使NOTCH基因表达增加50倍以上，其水平与SB/CHIR固定培养的水平相似。此外，SB/CHIR处理导致CD34+细胞、CD7+造血前体细胞、白细胞、巨核细胞和多能祖细胞、骨髓和红细胞的多系潜能增加，带有轨道振动系统的SB/CHIR增加了来自纯化的CD34+细胞以及集落形成细胞的巨核细胞和红细胞的产量。单细胞转录分析揭示了HOXA产血生态位的分子特性采用scRNA-seq和均匀流形近似投影聚类分析。在分化培养的第18天对8，800个细胞进行scRNA-seq。对汇总数据的分层聚类分析确定了19个细胞亚群。该算法将非造血和造血聚类分别分组到UMAP图的左侧和右侧。非造血细胞分泌细胞外基质蛋白，如胶原3A1和纤连蛋白。在CS10-11胚胎和卵黄囊 HPC 中。在分化第9天添加到培养基中的造血生长因子很可能揭示了各种造血前体群体可能采取的谱系分化途径，产生分化为红系和巨核细胞谱系的MEP。随着HOXA主动脉内皮和基质的发育，以及循环的RUNX1C-GFPCD34前体的产生，在SB / CHIR中添加旋转培养物增强了HOXA胚胎龛，从而产生了骨髓，巨噬细胞/单核细胞和CD7前体。研究揭示了如何通过人工诱导的方式来获得这些造血干细胞前体，这一研究成果意味着人类向使用诱导多能干细胞治疗遗传性血液疾病等又进了一步，未来或许可以解决造血干细胞供体短缺问题。参考资料：https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)01167-6#%20