中科院脑智卓越中心建立跨分化阶段高通量谱系示踪新技术

2023年(nián)3月18日，中z卓越中《Cell Stem Cell》期刊以(yǐ)封面文章的ōnghōngè(de)形式在(zài)线发(fā)表了(le)中(zhōng)国(guó)科学院脑科学与智能技术卓越创新中(zhōng)心（神经科学研究所）、神经科学国(guó)家重点实验室陈跃军研究组题为(wéi)《人(rén)神经分(fèn)化过程中(zhōng)跨时间段的科院女士高跟凉鞋有哪些(de)克隆谱系追踪》的(de)研究论文，该(Should)研究通过建立能够跨分(fèn)化阶段高通量谱系示踪新技术-SISBAR ，脑智解析了(le)人(rén)多能干细(thin)胞分(fèn)化为(wéi)人(rén)腹侧中(zhōng)后脑神经细(thin)胞的心建新技(de)单细(thin)胞谱系，发(fā)现了(le)许多新的立跨(de)谱系分(fèn)化路径和(hé)分(fèn)子调(Tune)控机制，研究进一(yī)步展示了(le)基于(yú)SISBAR技术的化阶(de)新发(fā)现在(zài)改进帕金森症细(thin)胞治疗策略中(zhōng)的(de)应用。SISBAR技术有(yǒu)望为(wéi)干细(thin)胞研究带来新的段高(de)突破 。 

发(fā)育(Educate)与干细(thin)胞生(shēng)物学中(zhōng)的通量(de)一(yī)个(gè)基础性问题是(shì)如何解析生(shēng)物体内不(bú)同(tóng)细(thin)胞类型(type)之间的(de)发(fā)育(Educate)谱系关系 。解析这(zhè)些谱系关系能够更加深入地(dì)解析生(shēng)命体的谱系(de)正常发(fā)育(Educate)过程以(yǐ)及病理状(shape)态（包(Bag)括癌症与发(fā)育(Educate)障碍）下的(de)分(fèn)子机制，为(wéi)操纵在(zài)体细(thin)胞分(fèn)化命运，示踪术女士高跟凉鞋有哪些优化体外细(thin)胞分(fèn)化方法，中z卓越中以(yǐ)及促进基于(yú)细(thin)胞替代疗法的ōnghōngè(de)再生(shēng)医学的(de)发(fā)展提供线索 。然而，科院经典的脑智(de)正向谱系追踪和(hé)逆向谱系追踪方法
，主(zhǔ)要(yào)用于(yú)解析同(tóng)一(yī)个(gè)分(fèn)化/发(fā)育(Educate)时间点不(bú)同(tóng)细(thin)胞类型(type)之间的(de)谱系关系，而不(bú)能同(tóng)时提供在(zài)上(shàng)一(yī)个(gè)阶段与它们有(yǒu)亲缘关系的(de)前体细(thin)胞的(de)身份特征。如何持续地(dì)追踪细(thin)胞在(zài)多个(gè)分(fèn)化/发(fā)育(Educate)时间点的(de)细(thin)胞状(shape)态，从而描绘更完整的(de)细(thin)胞发(fā)育(Educate)路径，是(shì)发(fā)育(Educate)学领域中(zhōng)亟待解决的(de)问题 。 

针对(duì)以(yǐ)上(shàng)问题 ，团队成(chéng)员通过结合病毒介导的(de)细(thin)胞条形码标记技术 、单细(thin)胞测序技术 ，以(yǐ)及克隆分(fèn)离策略 ，开发(fā)了(le)SISBAR技术 ，并应用在(zài)基于(yú)人(rén)多能干细(thin)胞的(de)神经分(fèn)化模型(type)中(zhōng) 。SISBAR技术可(kě)以(yǐ)跨分(fèn)化阶段追踪单个(gè)前体细(thin)胞衍生(shēng)的(de)谱系克隆，同(tóng)时获取该(Should)前体细(thin)胞的(de)单细(thin)胞转录组信息（图A）。研究团队一(yī)直致力于(yú)人(rén)多能干细(thin)胞神经分(fèn)化技术的(de)开发(fā)和(hé)神经系统疾病的(de)细(thin)胞治疗研究，建立了(le)将人(rén)多能干细(thin)胞分(fèn)化为(wéi)人(rén)腹侧中(zhōng)脑和(hé)后脑细(thin)胞的(de)方法，其中(zhōng)包(Bag)含能够用于(yú)帕金森症细(thin)胞替代疗法的(de)关键细(thin)胞类型(type)–中(zhōng)脑多巴胺能神经元（2016 Cell Stem Cell; 2021 Cell Stem Cell; 2022 JCI）。 

团队成(chéng)员把SISBAR技术应用于(yú)人(rén)腹侧中(zhōng)后脑的(de)体外分(fèn)化体系，并建立了(le)“潜能视角”和(hé)“起源视角”的(de)谱系分(fèn)析方法来分(fèn)别解析由转录组定义的(de)不(bú)同(tóng)细(thin)胞类型(type)的(de)分(fèn)化潜能及分(fèn)化起源，从而构建了(le)一(yī)个(gè)多层(layer)级的(de)谱系树来描绘整个(gè)分(fèn)化过程（图B） 。这(zhè)一(yī)多层(layer)级谱系树揭示了(le)中(zhōng)后脑细(thin)胞分(fèn)化过程中(zhōng)许多之前未被报道过的(de)发(fā)散型(type)和(hé)汇聚型(type)跨阶段谱系分(fèn)化路径 。团队的(de)研究还揭示了(le)跨分(fèn)化阶段的(de)群体水平谱系和(hé)克隆水平谱系之间的(de)关系：在(zài)发(fā)散型(type)谱系关系中(zhōng) ，发(fā)现同(tóng)种类型(type)的(de)前体细(thin)胞（单细(thin)胞转录组定义的(de)细(thin)胞簇）中(zhōng)单个(gè)前体细(thin)胞的(de)命运可(kě)以(yǐ)不(bú)同(tóng)；不(bú)同(tóng)前体细(thin)胞差异的(de)分(fèn)化命运的(de)集合代表了(le)该(Should)前体细(thin)胞类型(type)在(zài)群体水平的(de)分(fèn)化命运。在(zài)汇聚型(type)谱系关系中(zhōng)，发(fā)现同(tóng)种类型(type)子代细(thin)胞中(zhōng)的(de)单个(gè)细(thin)胞可(kě)以(yǐ)有(yǒu)不(bú)同(tóng)的(de)谱系起源，并且这(zhè)些不(bú)同(tóng)来源的(de)子代细(thin)胞会(huì)带有(yǒu)其亲代细(thin)胞独特的(de)基因印迹（图C-D）。

研究团队进一(yī)步展示了(le)基于(yú)SISBAR技术的(de)跨分(fèn)化阶段谱系关系和(hé)相关分(fèn)子调(Tune)控机制的(de)解析在(zài)神经系统疾病细(thin)胞治疗中(zhōng)的(de)应用。利用SISBAR技术
，研究团队发(fā)现中(zhōng)脑多巴胺能神经前体细(thin)胞具有(yǒu)至少三种命运分(fèn)化潜能 ，包(Bag)括中(zhōng)脑多巴胺能神经元、中(zhōng)脑谷氨酸能神经元 、血管软脑膜样细(thin)胞（VLMCs） 。研究团队还鉴定了(le)早期中(zhōng)脑多巴胺能神经前体细(thin)胞的(de)特异性表面分(fèn)子标记物APCDD1（图E）。将表达APCDD1的(de)神经前体细(thin)胞进行流式分(fèn)选并移植到(dào)帕金森病模型(type)小鼠的(de)纹状(shape)体后，移植物中(zhōng)目的(de)细(thin)胞-中(zhōng)脑多巴胺能神经元的(de)比例得到(dào)了(le)显著提高（图F） 。并且，与通过SISBAR技术发(fā)现的(de)中(zhōng)脑多巴胺能神经前体细(thin)胞多分(fèn)化潜能的(de)结果一(yī)致 。研究团队在(zài)APCDD1分(fèn)选的(de)移植物中(zhōng)检测到(dào)了(le)中(zhōng)脑谷氨酸能神经元和(hé)一(yī)种血管软脑膜样细(thin)胞的(de)存在(zài)，这(zhè)一(yī)结果展示了(le)SISBAR技术在(zài)改进细(thin)胞治疗策略和(hé)预测移植细(thin)胞体内分(fèn)化命运中(zhōng)的(de)应用。 

基于(yú)人(rén)多能干细(thin)胞的(de)细(thin)胞替代疗法在(zài)治疗许多用传统药物难以(yǐ)治愈的(de)疾病（如帕金森症）方面具有(yǒu)广阔的(de)应用前景。然而，人(rén)多能干细(thin)胞分(fèn)化得到(dào)的(de)供体细(thin)胞（细(thin)胞药物）存在(zài)显著的(de)异质性，这(zhè)将导致供体细(thin)胞和(hé)移植物中(zhōng)目的(de)细(thin)胞的(de)低比例和(hé)细(thin)胞组成(chéng)的(de)不(bú)稳定性
，阻碍了(le)细(thin)胞替代疗法在(zài)临床上(shàng)更广泛地(dì)应用
。可(kě)以(yǐ)预见的(de)是(shì)，作(zuò)为(wéi)一(yī)种通用型(type)技术，SISBAR能够广泛地(dì)应用于(yú)包(Bag)括神经分(fèn)化在(zài)内的(de)基于(yú)人(rén)多能干细(thin)胞的(de)体外分(fèn)化系统中(zhōng)，构建整个(gè)分(fèn)化过程的(de)谱系发(fā)育(Educate)树，解析谱系分(fèn)化的(de)分(fèn)子调(Tune)控机制 ，使我(wǒ)们更好地(dì)理解目的(de)细(thin)胞和(hé)非目的(de)细(thin)胞在(zài)分(fèn)化过程中(zhōng)产生(shēng)的(de)机制，从而改进细(thin)胞治疗策略
，获得更安全稳定的(de)细(thin)胞治疗结果。同(tóng)时 ，SISBAR还为(wéi)我(wǒ)们解析细(thin)胞分(fèn)化/发(fā)育(Educate)过程中(zhōng)的(de)谱系关系提供了(le)新的(de)方法和(hé)视角，是(shì)经典谱系追踪方法的(de)重要(yào)补充 。本研究中(zhōng)群体水平谱系和(hé)克隆水平谱系关系的(de)解析，为(wéi)我(wǒ)们理解细(thin)胞分(fèn)化分(fèn)过程中(zhōng)复杂而精确的(de)细(thin)胞命运决定事件提供了(le)重要(yào)的(de)理论基础 。 

该(Should)研究由中(zhōng)科院脑智卓越中(zhōng)心博士研究生(shēng)游致文与中(zhōng)科院营养(keep)健康所王(king)露悦博士，在(zài)脑智卓越中(zhōng)心陈跃军研究员和(hé)临港实验室魏武研究员的(de)指导下完成(chéng) ，中(zhōng)科院脑智卓越中(zhōng)心何慧博士、吴子彦博士  、章馨月、薛帅翔 、许培博博士，职工(gōng)张晓、刘兵 ，中(zhōng)科院营养(keep)与健康所洪延泓 ，复旦大(dà)学脑科学研究院熊曼研究员，复旦大(dà)学附属(Subordinate)肿瘤医院胡欣研究员为(wéi)本研究提供了(le)重要(yào)帮助 。本研究得到(dào)了(le)中(zhōng)科院、科技部、基金委和(hé)上(shàng)海市科委的(de)资助 
。 

　　图注：（A）用于(yú)跨时间点克隆谱系追踪的(de)SISBAR实验设计示意图。（B）跨越四个(gè)分(fèn)化阶段多层(layer)级谱系树，展示了(le)不(bú)同(tóng)分(fèn)化时间段不(bú)同(tóng)细(thin)胞类型(type)之间显著的(de)遗传谱系关系。（C-D）两种不(bú)同(tóng)的(de)汇聚型(type)谱系分(fèn)化路径示意图
。（E）特异性表达在(zài)中(zhōng)脑多巴胺能神经元早期前体细(thin)胞中(zhōng)的(de)基因。（F）未分(fèn)选的(de)神经前体细(thin)胞和(hé)APCDD1+神经前体细(thin)胞衍生(shēng)的(de)移植物典型(type)图和(hé)移植物中(zhōng)TH+神经元的(de)比例，hN，人(rén)源细(thin)胞核。比例尺，大(dà)图中(zhōng)为(wéi)100 μm，小图中(zhōng)为(wéi)20 μm 。 

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