PSCs 联合单细胞测序：解锁人类黑素细胞发育与特性的密码

人类色素相关疾病与黑素细胞紧密相连，但以往对黑素细胞发育的研究多依赖动物模型，存在局限性。研究人员利用多能干细胞（PSCs）联合单细胞测序技术展开研究，发现 PSCs 可有效促进黑素细胞发育，PDGFRB 或为维持黑素细胞干性的潜在标志物，为相关疾病研究提供新工具。

　　

在人体这个奇妙的 “小宇宙” 中，黑素细胞扮演着重要角色。它能产生黑色素，像忠诚的卫士一样保护皮肤和头发免受紫外线的伤害。然而，黑素细胞一旦 “调皮捣蛋”，就会引发各种色素相关疾病。比如，先天性真皮黑素细胞增多症，包括太田痣、伊藤痣、蒙古斑等，是黑素细胞在迁移过程中出现异常，滞留在真皮导致的；白化病、白癜风等色素脱失性疾病，则是黑素细胞的功能受损所致；更严重的是，黑素细胞还与恶性程度极高的黑色素瘤密切相关。

目前，对于黑素细胞发育的研究，大多是借助小鼠、斑马鱼等动物模型。但不同物种之间存在生理、解剖和代谢差异，动物模型无法完全模拟人类的生物学特性，这就像戴着有色眼镜看东西，总是差了那么一点真实。因此，深入了解人类黑素细胞的发育过程和独特特征，对于探索相关疾病的发病机制、开发有效治疗策略至关重要。

为了攻克这些难题，江苏大学附属医院皮肤科及再生医学研究所等机构的研究人员，踏上了探索之旅。他们巧妙地将多能干细胞（PSCs）和单细胞测序技术结合起来，深入研究黑素细胞发育过程中的细胞异质性、生物学特性动态变化、分化轨迹以及信号相互作用。最终，他们取得了一系列重要成果，相关论文发表在《iScience》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过建立的悬浮分化体系诱导 PSCs 分化为黑素细胞；然后，利用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，在多个分化时间点对诱导的黑素细胞进行分析；此外，还借助生物信息学分析方法，对测序数据进行深入挖掘，包括聚类分析、基因富集分析、轨迹分析等，以揭示黑素细胞发育的奥秘。

研究结果如下：

• PSCs 向黑素细胞分化过程中标记基因的动态表达：研究人员利用已建立的悬浮分化方案，动态观察 PSCs 向黑素细胞的分化。在这个过程中，他们密切监测神经嵴和黑素细胞特异性标记基因的表达变化。结果发现，在诱导第 7 天，CDH₂、MAP2、NCAM1 和 PAX6 等基因显著上调，之后表达水平逐渐下降；而 TUBB3、NES 和 PAX3 在初始上调后维持较高水平。SOX10、MITF、PMEL、MLANA、TYR、TYRP1 和 DCT 等基因的表达则在分化过程中稳步上升，在第 21 - 28 天达到峰值，并保持在较高水平。免疫荧光染色和黑色素含量测定等实验进一步证实了黑素细胞的成熟过程。这一系列结果表明，在 PSCs 向诱导黑素细胞分化过程中，神经嵴和黑素细胞标记基因呈现出动态表达模式，同时黑素细胞功能逐渐成熟。

• 诱导黑素细胞的细胞异质性和发育特征：为全面了解人类黑素细胞分化过程中的分子特征，研究人员在诱导黑素细胞的 3 个不同分化时间点（第 23 天、第 32 天和第 44 天）进行 scRNA-seq 分析。经过质量控制和数据分析，他们识别出 9 个细胞簇，并将其分为 3 个主要群体（C1、C2 和 C3）。通过分析发现，C1 细胞高表达黑素细胞特异性基因，表明其为分化的黑素细胞；C2 和 C3 细胞则高表达神经嵴标记基因，可能代表黑素细胞发育的早期阶段细胞群体。这些结果揭示了黑素细胞分化的不同阶段，包括早期群体（C2 和 C3）和成熟黑素细胞群体（C1）。

• 诱导黑素细胞的发育轨迹：为深入探究诱导黑素细胞的发育轨迹，研究人员使用 Monocle2 进行拟时间分析。结果显示，第 23 天的样本主要处于拟时间轨迹的早期阶段，而第 44 天的样本对应后期阶段。通过分析不同分化时间点的差异表达基因（DEGs），发现与干细胞分化相关的基因在第 23 天显著上调，而参与黑色素生物合成和色素沉着的基因在第 44 天富集。此外，拟时间分析还表明 C2 和 C3 主要占据轨迹的早期阶段，随着分化进展逐渐转变为 C1。进一步分析发现，C3 对应于上皮 - 间质转化（EMT）前的神经嵴细胞（NCCs），C2 对应于 EMT 的 NCCs，C1 代表向黑素细胞转变的 NCCs。这一系列结果表明，C2 和 C3 代表分化的早期阶段，且 C3 在分化层次上早于 C2，同时 EMT 在 NCC 迁移和黑素细胞分化中可能发挥重要作用。

• 诱导黑素细胞与人类黑素细胞发育相似性的比较：研究人员整合人类皮肤黑素细胞和诱导黑素细胞的 scRNA-seq 数据集，进行比较分析。结果发现，诱导黑素细胞中的 C1 群体涵盖了人类黑素细胞的胎儿、新生儿和成人阶段，C2 与黑素细胞干细胞更为相似，而 C3 与人类黑素细胞的特定阶段没有明显重叠。相关性分析表明，C1 与胎儿和新生儿黑素细胞的相似度较高，C2 与黑素细胞干细胞相似度较高，C3 与任何阶段的人类黑素细胞相关性较低。此外，研究还发现诱导黑素细胞比小鼠黑素细胞与人类黑素细胞更为相似。这些结果表明，源自人类 PSCs 的诱导黑素细胞的发育轨迹与人类黑素细胞相似，C1 对应分化的黑素细胞，C2 对应黑素细胞干细胞。

• 黑素细胞分化中的细胞间相互作用和信号传导：细胞间相互作用和信号通路在维持干细胞静止和调节分化过程中起着关键作用。研究人员通过分析发现，人类正常黑素细胞干细胞和诱导黑素细胞的 C2 群体中，Wingless/Integrated（WNT）和 TGF-β 等信号通路的基因表达上调，这些通路在维持黑素细胞干性和调节分化中发挥重要作用。进一步分析细胞间的信号通讯模式发现，C2 和 C3 是主要的信号输出细胞，C1 是主要的信号接收细胞。C2 主要通过 WNT5A、TGFB1、TGFB2、BMP4 和 KITLG 等基因与 C1 相互作用，C3 主要通过 BMP5 和 BMP7 与 C1 相互作用。这些结果揭示了黑素细胞分化过程中复杂的相互作用和调控机制。

• 黑素细胞干性维持的潜在表面标志物筛选：研究人员通过比较人类黑素细胞干细胞和诱导黑素细胞 C2 群体的 DEGs，鉴定出 8 个潜在的表面标记基因，包括 THY1、MRC2、PDGFRB 等。进一步分析发现，THY1、MRC2 和 PDGFRB 可能是识别黑素细胞干性的有前景的表面标志物，其中 PDGFRB 在分化过程中阳性细胞比例逐渐下降，主要在 C2 群体中表达。通过流式细胞术分离 PDGFRB⁺细胞群体，发现其高表达黑素细胞干细胞相关基因，低表达成熟黑素细胞基因，且具有较强的增殖能力和较低的黑色素含量。这表明 PDGFRB 可能是筛选维持干性的黑素细胞亚群的潜在标志物，但还需要进一步验证。

研究结论和讨论部分指出，本研究利用 PSCs 和单细胞测序技术，揭示了人类黑素细胞分化过程中细胞亚群的异质性和动态变化。PSCs 为研究人类黑素细胞发育，尤其是早期发育阶段，提供了有价值的工具。研究结果不仅有助于深入理解人类黑素细胞在生理和病理状态下的特征，还为探索黑素细胞相关疾病（如白癜风和黑色素瘤）的潜在机制提供了有价值的工具和见解。此外，研究还发现诱导黑素细胞具有不同的成熟度水平，部分亚群可达到与成人黑素细胞相当的成熟度，这为未来针对色素性疾病的移植治疗带来了希望。同时，潜在表面标志物 PDGFRB 的发现，有助于从成熟细胞群体中筛选低分化状态的黑素细胞，为研究黑素细胞干细胞的特性提供了便利。不过，该研究也存在一定局限性，如体外培养系统可能限制研究结果的普遍性，三个细胞簇之间的调控相互作用在体内的具体作用和相关性仍有待进一步阐明等。未来研究可通过增加样本量，尤其是早期时间点的样本，来深入探讨黑素细胞的发育过程。