干细胞研究大师最新Cell：转分化的层级机制

来自斯坦福大学再生医学与干细胞生物学研究所等处的研究人员揭示了转分化过程中的三个转录因子分别的作用，并一步步解析了这几种作用因子先后的作用步骤，以及关键的决定因素。这一研究成果公布在10月25日的Cell杂志上。

　　生物通报道：来自斯坦福大学再生医学与干细胞生物学研究所等处的研究人员发表了题为“Hierarchical Mechanisms for Direct Reprogramming of Fibroblasts to Neurons”的文章，揭示了转分化过程中的三个转录因子分别的作用，并一步步解析了这几种作用因子先后的作用步骤，以及关键的决定因素。这一研究成果公布在10月25日的Cell杂志上。

文章的通讯作者是斯坦福大学的Marius Wernig教授，Wernig教授是干细胞转分化（transdifferentiation）研究领域的大师，他领导的研究组在将体细胞诱导转变成另外一种细胞研究方面获得了许多重要的成果，曾于2010年率先在啮齿类动物皮肤细胞中实现了将皮肤细胞转换成神经元这一转换。

转分化是指一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的技术，如水母横纹肌细胞经转分化可形成神经细胞、平滑肌细胞、上皮细胞，甚至可形成刺细胞。这一技术能绕开了iPS——诱导多能干细胞于2007年首次诞生，这标志着干细胞科学研究进入一个新纪元，干细胞研究将不再自动关联到备受争议的胚细胞上。

然而关于这种新技术的基础分子作用机制，至今科学家们了解的并不多。在这篇文章中，Wernig教授等人揭示了由成纤维细胞向神经细胞的直接转分化过程中的一种重要层级机制（hierarchical mechanism），这将有助于解析转分化精确的作用分子机理。

研究人员利用转录因子Ascl1, Brn2以及Myt1l进行转分化，其中Ascl1能作为一种靶向前驱因子，迅速占据成纤维细胞中最同源的基因组位点。而Brn2和Myt1l则本身并不会直接接近成纤维细胞的染色质：Brn2通过Ascl1召集到后者的基因组位点。

研究人员发现宿主细胞中出现了一种独特的染色质标记，能预测不同细胞类型中Ascl1的前驱活性，而且研究人员还发现Zfp238是Ascl1的一个关键靶基因，在iN细胞重编程过程中能部分替代Ascl1.

这些研究结果指出，转录因子之间的精确配合，以及关键靶基因上的染色质变化是转分化为神经细胞，和其它细胞类型的关键决定因素。

Wernig研究组曾实现了啮齿动物和人类皮肤细胞转换成神经元的研究，他们还在原有的三个转录因子基础上，添加了一个螺旋环螺旋转录因子NeuroD1，成功地将人类胚胎及新生儿的皮肤纤维细胞成功地诱导为功能性神经细胞。这些细胞不仅显示典型的神经元形态，表达多种神经元标志蛋白。并且能够产生动作电位。当研究人员将这些神经细胞与原代小鼠皮质神经元进行共培养时，证实它们能够形成神经突触并传到信号。

此外这一研究组还曾完成了将终末分化肝细胞转分化成功能性神经元的转分化，并通过单细胞，和全基因组表达分析，证明了这些细胞不仅诱导产生了神经细胞转录组，而且沉默了原有转录组。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Hierarchical Mechanisms for Direct Reprogramming of Fibroblasts to Neurons

Direct lineage reprogramming is a promising approach for human disease modeling and regenerative medicine, with poorly understood mechanisms. Here, we reveal a hierarchical mechanism in the direct conversion of fibroblasts into induced neuronal (iN) cells mediated by the transcription factors Ascl1, Brn2, and Myt1l. Ascl1 acts as an on-target pioneer factor by immediately occupying most cognate genomic sites in fibroblasts. In contrast, Brn2 and Myt1l do not access fibroblast chromatin productively on their own; instead, Ascl1 recruits Brn2 to Ascl1 sites genome wide. A unique trivalent chromatin signature in the host cells predicts the permissiveness for Ascl1 pioneering activity among different cell types. Finally, we identified Zfp238 as a key Ascl1 target gene that can partially substitute for Ascl1 during iN cell reprogramming. Thus, a precise match between pioneer factors and the chromatin context at key target genes is determinative for transdifferentiation to neurons and likely other cell types.