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       北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員開發了一種單細胞基因組研究平臺,首次成功將人成纖維細胞重編程為心肌細胞。



錢麗:首次成功將人成纖維細胞重編程為心肌細胞

錢博士一直致力于人類患者的心臟重編程研究,她表示,“我們相信,將生物實驗與單細胞基因組分析相結合的跨學科方法,能激發未來關于理解人類心肌細胞性質的關鍵步驟,并將這些知識轉化為再生療法。”詳細全文




每年心臟病發作的患者不計其數,由于心肌細胞不能再生,心臟病發作后,許多心肌細胞會不可逆地受損,永久變成瘢痕組織細胞,嚴重影響心臟功能。但是,如果科學家能夠將這些被稱為成纖維細胞的瘢痕組織細胞重新編程為健康心肌細胞,那對于心臟病患者來說意義重大。

此前,一些科學家門通過實驗室實驗和小鼠實驗在這方面取得了很多進展,但人類心臟重編程仍然是一個巨大的挑戰。

近日北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員首次開發出一種穩定,可重復的平臺,可將人成纖維細胞重編程為心肌細胞。他們通過利用最新的單細胞技術和數學模擬,制定了一個高分辨率的分子路線圖,指導精確有效的重編程。

這一研究成果公布在6月20日的Cell Stem Cell雜志上,由北卡羅來納大學教堂山分校McAllister心臟研究所錢麗(Li Qian)博士領導完成。

錢博士一直致力于人類患者的心臟重編程研究,她表示,“我們相信,將生物實驗與單細胞基因組分析相結合的跨學科方法,能激發未來關于理解人類心肌細胞性質的關鍵步驟,并將這些知識轉化為再生療法。”

這一研究組在人類心臟成纖維細胞中加入了三種基因:Mef2c,Gata4和Tbx5的混合物,其劑量經過特殊的優化。為了提高效率,他們篩選了一系列補充因子,從中鑒定了MIR-133,MIR-133這是一種小RNA分子,當把它加入到三基因混合物時,就能將人心臟成纖維細胞重編程為心肌細胞,效率高達40%至60%。

之后,他們希望能解答這種細胞是如何轉化為心肌細胞的分子機制。為此,研究人員研究了重編程過程中各個細胞的分子變化,這樣他們找到了重編程過程中的一個關鍵點,也就是細胞必須“決定”編程心肌細胞,還是回歸到它們之前成纖維細胞命運之間的關鍵點。一旦這個過程開始了,就會有一系列的信號分子和蛋白質讓細胞進入到不同的分子途徑上,這決定了它們分化的細胞類型。

此外,研究人員還創建了一種獨特的細胞命運指數,定量評估重編程的進展。利用該指數,研究人員發現人類心臟重編程的進展速度比先前描述的小鼠重編程慢得多,這揭示了物種和重編程條件之間的關鍵差異。

“你可以把這個細胞重編程過程想象成谷歌上的地圖路線,”錢博士說,“起始的疤痕形成成纖維細胞,就像汽車尋找合適的GPS指令,我們的研究工作發現了路障,錯誤的出口斜坡和加油站,也就是遺傳因子,可以讓成纖維細胞到達我們想要的目的地。我們新開發的細胞命運指數就像儀表板上的儀表一樣,可以預測目的地的距離。”

這項工作闡明了之前從未發現過的人類心臟重編程特征,并提供了新的研究工具,有助于更好地了解細胞命運變化,以及人體內重編程的過程。

“我們的單細胞途徑和新算法當然可以用于研究其他生物過程,包括細胞的分化,去分化或藥物反應。”錢博士補充道,“這種研究方法并不局限于心臟,但作為世界頭號殺手的心臟病,依然是我們實驗室的主要焦點。”

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作者簡介:
錢麗

早年畢業于復旦大學生科院,2001年赴美留學,曾于加州大學舊金山分校進行博士后研究,現為北卡羅來納大學教堂山分校McAllister心臟研究所助理教授。實驗室主要致力于開發創新方法來再生或修復受傷的心臟。通過了解心肌細胞機制和成熟的分子基礎,應用這些知識來提高心臟病細胞重編程的效率和臨床適用性。



 

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