整合单细胞计算框架解析细胞融合诱导的重编程动态图谱

《npj Systems Biology and Applications》：Mapping fusion-driven cell reprogramming through integrative single-cell computational frameworks

本研究针对细胞融合后转录重编程机制不清的问题，通过整合单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据与多层级计算框架（包括轨迹推断、细胞通讯分析和基因调控网络重建），系统解析了小鼠心肌细胞(mHL1)与间充质干细胞(mMSC)融合后的动态重编程过程。研究发现融合杂交细胞呈现不对称可塑性：早期（第1天）呈现间充质重编程特征，后期（第3天）转向肌源性重编程；细胞通讯分析显示Wnt信号通路的动态抑制与黏着斑通路激活；调控网络分析发现Hmga2、Arntl等关键转录因子时序性调控。该研究为理解融合细胞在组织再生与肿瘤发生中的双重作用提供了新视角。

　　

当两个细胞相遇并融合，它们会创造出怎样的生命奇迹？细胞融合这一古老而神秘的生物学过程，在发育、再生和疾病中扮演着双重角色。特别是间充质干细胞(MSC)这种"多面手"细胞，能够与心脏、肝脏等多种组织细胞融合，既可能促进组织修复，又可能助长癌症转移。然而，融合后细胞内究竟发生了什么？亲本细胞的基因表达如何重新"谈判"？新生的杂交细胞会走向何方？这些关键问题一直困扰着科学家。

近日发表在《npj Systems Biology and Applications》的研究，通过创新的计算生物学方法，揭开了细胞融合重编程的神秘面纱。研究团队对已发表的小鼠心肌细胞(mHL1)与间充质干细胞(mMSC)融合模型的单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据进行了深度挖掘，构建了从转录组动态到调控网络的完整解析框架。

研究人员主要运用了几项关键技术：单细胞转录组数据分析中，使用UMAP进行降维可视化，Clustree进行无监督聚类；Monocle 3进行伪时间轨迹推断，重建细胞状态转变路径；CellChat和CellCall分析细胞间通讯网络，揭示配体-受体相互作用；pySCENIC构建基因调控网络(GRN)，识别关键转录因子。这些方法共同组成了一个多层次的计算分析管道。

Annotation and Unsupervised Learning Distinguished Cell Types, and Pseudotime Analysis Revealed Significant Temporal Alterations in Gene Expression

研究首先通过转录组图谱解析揭示了融合细胞的独特身份。UMAP可视化显示，融合杂交细胞与亲本细胞明显分离，形成独立的转录组区域。无监督聚类识别出三个主要群体，与基于标记基因的注释结果既有一致性又存在差异，提示融合产生了全新的细胞状态。

伪时间分析展现了重编程的动态过程：融合后第1天，杂交细胞更接近MSC表型（间充质重编程），而到第3天则转向心肌细胞特征（肌源性重编程）。这种不对称的可塑性表明，MSC在融合早期占据主导地位，但随着时间推移，心肌细胞程序逐渐占据上风。

Dynamic Intercellular Communication Networks Reflect Early Fusion Responses and Transcriptional Reprogramming

细胞通讯分析揭示了融合过程中复杂的信号对话。第1天时，Wnt信号和黑色素生成通路显著下调，而黏着斑和内分泌抵抗通路则被激活。到第3天，信号网络变得更加异质化，不同细胞类型间展现出特化的通讯模式。

Distinct Modes of Intercellular Communication, Active Across All Cell Types, Are a Key Feature of the Observed Cellular Interactions of Hybrids

深入研究三种通讯模式（分泌信号、ECM-受体相互作用、细胞直接接触）发现，融合细胞展现出独特的通讯特征。第1天时，半乳糖凝集素(Galectin)信号在无监督聚类识别的群体中特异性激活，而Tenascin（胞外基质蛋白）信号在ECM相互作用中显著富集。

到第3天，融合细胞表达了更丰富的整合素亚基 repertoire，表明其具有更强的黏附适应性。同时，细胞接触分子如JAM、NCAM等在杂交细胞中特异性富集，提示这些细胞可能通过共表达不同基因通路而转录"预编程"用于黏附、迁移和分化等过程。

GRN Analysis Uncovers Intracellular Master Regulators of mMSC and mHL1 Cell Fusion

基因调控网络分析揭示了重编程的分子驱动机制。第1天时，Runx2、Tcf15、Foxr1等与早期谱系分化和染色质重塑相关的转录因子活跃；而到第3天，调控网络变得更加协调，Hmga2（染色质结构蛋白）、Arntl（昼夜节律核心调控因子）、Fli1（造血内皮因子）等成为主导调控因子。

特别值得注意的是，Rarg（视黄酸受体）在两个时间点均持续活跃，提示视黄酸信号在融合诱导的可塑性中可能发挥持续作用。大多数在融合群体中富集的调控因子在亲本细胞中并不存在，支持它们是融合后新生出现的观点。

研究结论与意义

这项研究通过整合计算框架揭示，细胞融合并非简单的基因表达"平均化"，而是一个高度动态、有序的重编程过程。融合杂交细胞经历了从间充质表型向肌源性表型的时序性转变，这一过程由复杂的细胞通讯网络和基因调控网络共同协调。

研究的创新之处在于将多种计算生物学方法有机结合，从多个维度解析了融合重编程的机制：转录组图谱揭示细胞身份转变，细胞通讯网络展现微环境对话，基因调控网络识别核心调控因子。这种多层次分析策略为理解细胞融合在发育、再生和疾病中的作用提供了新视角。

然而，研究也存在一定局限性，如单细胞测序的低捕获效率限制了对融合群体异质性的完全解析，且未能区分不同核比例的杂交细胞。未来研究需要在更大规模数据基础上，结合蛋白质组和功能验证，进一步阐明融合重编程的完整机制。

这项工作不仅深化了对细胞融合生物学本质的理解，也为利用融合事件进行细胞重编程和组织再生提供了理论依据。在干细胞治疗日益重要的今天，准确认识细胞融合的利弊，对于安全有效地应用干细胞疗法具有重要指导意义。