细胞分化过程中状态图谱与细胞命运图谱
标题: Lineage tracing on transcriptional landscapes inks state to fate during differentiation
期刊:science
影响因子:47.72
导读
自从动物细胞体外培养技术被发明以来，生物学家们一直致力于用该方法研究细胞的分化阶段与状态，并认为细胞的分化可以按阶段加以区分。直至单细胞测序技术的出现，我们才得以从单个细胞全基因表达的层面上去探究细胞分化的机制。发育生物学领域的一个挑战是将祖细胞之间的分子差异与其产生成熟细胞类型的能力联系起来。在这里，实验人员使用DNA标记祖细胞，随时间克隆追踪转录组的动态变化，并将其应用于研究造血过程中的命运决定。实验人员识别出始发命运潜能的细胞状态，并将它们定位在一个连续的转录图谱上。随后，他们辨别了两种单核细胞的分化途径。最后实验人员发现在拟时序进程上细胞分化与真实情况有着精确和一致的动力学结果。
科学问题
早先的研究成果指出造血干细胞与祖细胞并不具有阶梯状的分化分支，而是具有时间上的分化连续性，那么各造血干细胞与祖细胞之间有着怎样的内在细胞状态与命运潜能异质性？
实验设计
来自10968个不同时间节点上提供线性关系的克隆，与2632个提供散布于不同时间节点上来自小鼠与培养基的总计>300000个细胞， 10X genomics平台。
实验结果
1、细胞状态与命运分析：
实验人员对来自体外培养的细胞与小鼠体内不同培养时间节点上的细胞分别进行测序，聚类结果显示（图1 E,F）这些来自不同时刻的细胞构成了一幅连续的细胞状态图谱，这些细胞有的有着单一的发育方向，有的有着多种发育方向，也有的祖细胞本身会发生自我更新（图1 G）。
图1 追踪造血干细胞分化轨迹
2、根据克隆动态辨认出细胞的命运边界
为了鉴定各种祖细胞的命运边界，实验人员首先用慢病毒为一群异质的祖细胞转导一段细胞标签，并让这些细胞进行分裂，当细胞分裂一到两轮后取出其中的一部分进行测序，并让剩余的细胞继续分裂，分不同时间点进行取样测序，这样根据最初转导至细胞内的细胞标签就可对每一个祖细胞及其后代进行有着时间上连续性的基因表达分析，即克隆追踪技术。基于上述原理，实验人员进一步根据细胞标签分析了细胞的聚类结果，画出了每种细胞的命运边界（图2C，2D），证实了细胞在分化过程中并不会分散出离散的细胞状态，而是有着发育上的连续性。研究人员进一步对图谱上各种细胞的基因表达情况进行分析（图2E，F），并且发现了几种未被报道过的特征差异基因。
图2 造血作用早期细胞状态与命运的联系
3、单核细胞的独特分化路径
借助克隆追踪技术与单细胞测序技术，实验人员发现单核细胞在分化过程中会表现出从中性粒细胞样到树突细胞样的特征范围，表达相应的标志基因（图3A）。为探究单核细胞发生过程，研究人员对这两类单核细胞的基因表达做了相关度分析，结果表明他们各自与中性粒细胞和树突、淋系细胞相关（图3B），这两种单核细胞似乎有着不同的克隆起源。研究者继而对这两种单核细胞对应的祖细胞基因表达情况进行了分析（图3C，D），发现这两种细胞的祖细胞确实可根据基因表达的差异区分开来，且随着细胞成熟程度的增加，这种差异更加明显（图3E）。实验人员也对体内的单核细胞进行了检测（图3F-M），证明了在自然与体外培养情况下单核细胞都有着多重起源。
图3 单核细胞分化的多重路径
4、细胞发育在时间上的进程图谱可以用拟时序分析绘制
研究人员也尝试对中性粒细胞的动态发育轨迹进行时间上的描述，借助克隆追踪技术以查看拟时序分析能够在多大程度上吻合真实发育进程（图4F-J）。他们选择了从MPPs，GMPs，早幼粒细胞，最终到髓细胞这一发育过程的实测数据，并将其与拟时序分析结果进行了对比。结果发现这两者反映出一致的分化速度。这一实验结果支持实验人员用拟时序方法绘制分化进程图谱。
图4单细胞测序数据动态推断的基准
参考文献：
Weinreb C, Rodriguez-Fraticelli A, Camargo FD, Klein AM. Lineage tracing on transcriptional landscapes links state to fate during differentiation. Science. 2020 Feb 14;367(6479):eaaw3381. doi: 10.1126/science.aaw3381. Epub 2020 Jan 23. PMID: 31974159; PMCID: PMC7608074.
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