引导细胞沿着所需的分化路径前进的计算指南

(波士顿)——目前非常需要生产各种类型的细胞，用于新疗法，以替代因疾病或损伤而丢失的组织，或用于体外研究，以提高我们对器官和组织在健康和疾病中如何发挥作用的理解。许多研究都是从人类诱导多能干细胞(ipSCs)开始的，理论上，在适当的培养条件下，ipSCs几乎可以分化成任何类型的细胞。2012年诺贝尔奖授予山中伸谷(Shinya Yamanaka)，表彰他发现了一种策略，可以通过给成年细胞提供一组特定的基因调控转录因子(TFs)来重新编程，使其成为多能干细胞。然而，从那里发展到有效地生成具有组织特异性分化功能的广泛的细胞类型，用于生物医学应用仍然是一个挑战。

细胞特定类型TFs的表达在细胞则是最常用的细胞转换技术,指导ipSC的效率通过不同的“血统阶段”的全功能的分化状态,例如,一个特定的心脏,大脑,或免疫细胞目前很低,主要是因为无法轻易发现最有效的TF组合。引导细胞通过特定细胞分化过程的TFs结合基因的调控区域来控制它们在基因组中的表达。然而，多个TFs必须在更大的基因调控网络(GRNs)的背景下发挥作用，以驱动细胞在其谱系中的进程，直到达到最终的分化状态。

乔治教会领导的共同努力,现在博士在哈佛大学生物工程研究所和哈佛医学院(HMS)和Antonio del Sol博士,领导在中投bioGUNE计算生物学组织,巴斯克研究和技术联盟的一员,在西班牙,和卢森堡中心系统生物医学(LCSB,卢森堡大学),已经开发了一个叫做艾琳的辅助设计工具,通过预测细胞类型特异性TFs的高效组合，显著有助于提高细胞转化的效率。通过将IRENE与允许在诱导多能干细胞中强大表达选定的TFs的基因组整合系统相结合，该团队展示了他们的方法比其他方法产生更多用于免疫治疗的自然杀伤细胞和用于皮肤移植的黑色素细胞。这是科学上的第一次，产生了乳腺上皮细胞，对于外科手术切除的乳腺组织的再生是非常可取的。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

“在我们的团队中，这项研究自然是建立在‘TFome’项目的基础上，该项目构建了一个包含1564个人类TFs的综合库，作为识别具有增强能力的TF组合的强大资源，可将人类多能干细胞重新编程到不同的目标细胞类型，”Wyss核心教员Church说。“这种计算算法的有效性将促进我们在Wyss研究所和HMS的组织工程努力，作为一种开放资源，可以为这个新兴领域的许多研究人员做同样的事情。”丘奇是Wyss研究所合成生物学平台的负责人，也是HMS的遗传学教授，以及哈佛大学和麻省理工学院的健康科学与技术教授。

工具

已经开发了几种计算工具来预测特定细胞转化的TFs组合，但几乎都是基于对许多细胞类型的基因表达模式的分析。这些方法中缺少的是表观遗传景观的观点，即围绕基因的基因组本身的组织，以及远远超出裸露基因组DNA序列的整个染色体部分的规模。

“分化细胞中不断变化的表观遗传格局预测了基因组中正在经历物理变化的区域，这对关键的TFs获得它们的目标基因至关重要。分析这些变化可以更准确地告知GRNs及其参与驱动特定细胞转化的TFs，”共同第一作者Evan Appleton博士说。Appleton是Church小组的博士后研究员，他与Sascha Jung博士一起参与了这项新研究。“我们在西班牙的合作者已经开发了一种计算方法，将这些表观遗传变化与基因表达变化结合起来，产生关键的TF组合作为输出，我们处于一个理想的测试位置。”

研究小组使用他们的计算“综合基因调控网络模型”(IRENE)方法重建控制ipSCs的GRN，然后专注于三种具有临床意义的靶细胞类型，以实验验证IRENE优先确定的TF组合。为了将TF组合导入ipSCs，他们部署了一种基于转座子的基因组整合系统，该系统可以将编码TF的基因的多个拷贝整合到基因组中，从而允许组合的所有因子稳定表达。转座子是一种DNA元件，可以从基因组的一个位置跳到另一个位置，或者在这种情况下，从一个外来物提供的DNA片段跳到基因组中。

“我们的研究团队由来自LCSB和CIC bioGUNE的科学家组成，在开发促进细胞转化的计算方法方面拥有长期的专业知识。IRENE是我们工具箱中的一个额外资源，在大多数测试案例中，实验验证已经证明它大幅提高了效率，”通讯作者Del Sol是LCSB和CIC bioGUNE的教授。“我们的基础研究最终将使患者受益，我们很高兴看到艾琳可以提高细胞来源的生产，这些细胞来源可以用于治疗应用，如细胞移植和基因治疗。”

验证计算机引导设计工具

研究人员选择人类乳腺上皮细胞(HMECs)作为第一种细胞类型。迄今为止，HMECs是从一个组织环境中获得的，分离，并移植到一个乳房组织已经切除的环境中。通过中间ipSC阶段从患者细胞中生成HMECs，可以提供一种侵入性更小、更有效的乳腺组织再生方法。IRENE产生的一种组合使团队能够将14%的ipSCs在ipsc特定培养基中转化为分化的HMECs，这表明所提供的TFs足以在没有其他因素帮助的情况下驱动转换。

研究小组随后将注意力转向黑色素细胞，这种细胞可以在细胞移植中提供细胞来源，以替代受损的皮肤。这一次，他们在黑素细胞目标培养基中进行了细胞转化，以证明所选的TFs在最适合所需细胞类型的培养条件下工作。四种组合中有两种能够将黑素细胞转化效率提高900%，相比于在无TFs的目标培养基中生长的ipSCs。最后，研究人员将IRENE优先选择的TFs组合与仅基于细胞培养条件的最先进的分化方法进行比较，以产生自然杀伤细胞(NK)细胞。免疫NK细胞已经被发现可以改善白血病的治疗。研究人员的方法优于标准，8种组合中的5种增加了具有关键标记的NK细胞的分化高达250%。

“这种新的计算方法可以极大地促进Wyss研究所和世界各地许多其他机构的一系列细胞和组织工程工作。这个进步极大地扩展我们的工具箱我们应该努力在再生医学发展新方法来改善病人的生命,”唐纳德·因格贝尔说Wyss创始董事,医学博士,博士,他也是Judah Folkman HMS血管生物学教授和波士顿儿童医院,和哈佛大学的生物工程教授约翰·a·保尔森工程和应用科学学院。

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通过本杰明Boettner

这项研究也由bioinformatician穆罕默德·阿里,博士,大学的卢森堡,和由欧盟资助的地平线2020研究和创新计划授予# 643417,FunGCAT程序从国家情报总监办公室高级研究项目活动,通过陆军研究办公室,下奖# w911nf - 17 - 2 - 0089和EGL慈善基金会。丘奇是tome项目商业化的GC Therapeutics公司的联合创始人之一，并拥有股权。

媒体联系人

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所Benjamin Boettner, [email protected]， +1 617-432-8232

卢森堡系统生物医学中心Lucie Debroux, [email protected]， +352 46 66 44 68 66

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所(http://wyss.harvard.edu)利用自然的设计原则开发生物启发材料和设备，将改变医学并创造一个更可持续的世界。Wyss的研究人员正在为医疗保健、能源、建筑、机器人和制造业开发创新的新工程解决方案，并通过与临床研究人员、企业联盟和新初创企业的合作，将其转化为商业产品和治疗。Wyss研究所创造了革命性的技术突破,从事高风险的研究,和十字架纪律和制度障碍,作为一个联盟,包括哈佛大学的学校医学、工程、艺术与科学学院和设计,并与贝斯以色列女执事医疗中心合作,布莱根妇女医院,波士顿儿童医院,丹娜-法伯癌症研究所,马萨诸塞州总医院,马萨诸塞大学医学院斯波尔丁康复医院，波士顿大学，塔夫茨大学，Charité - Universit?tsmedizin柏林，苏黎世大学和麻省理工学院。

合作研究中心生物科学(中投bioGUNE) https://www.cicbiogune.es),位于Bizkaia科技园区,是一个生物医学研究机构从事尖端研究之间的界面结构,分子和细胞生物学,主要侧重于产生疾病的分子基础知识,用于开发新的诊断方法和先进的疗法。CIC bioGUNE已经被认可为“Severo Ochoa卓越中心”，这是西班牙对卓越中心的最高认可水平。

卢森堡系统生物医学中心(LCSB) (https://wwwen.uni.lu/lcsb)正在通过关闭系统生物学和医学研究之间的联系来加速生物医学研究。生物学家、医生、计算机科学家、物理学家、工程师和数学家之间的合作为细胞、器官和有机体等复杂系统提供了新的见解。这些见解对于理解疾病发病机理的主要机制和开发诊断和治疗的新工具是必不可少的。