原标题：《Nat Reviews系列综述 | 钱莉团队总结直接重编程技术的历史和前景》

1957年，发育生物学家Waddington将每个胚胎干细胞比喻成每颗位于山丘顶部的大理石，而正常细胞的发育过程则好比是大理石从山丘滚至山谷的过程。在山丘上不同的位置存在岔路，大理石在滚落的过程中在不同的岔路之间做出选择，最后停在其中一个山谷之中，大理石最后的落脚处被称为细胞的“命运”。随着发育过程的推进，细胞的发育更为成熟，但同时也失去了变为其他细胞类型的能力【1】。1987年，Davis 研究团队首次报道通过过表达特定的转录因子MyoD，可以使小鼠胚胎成纤维细胞转化为肌细胞【2】。这种不经过多能干细胞或祖细胞阶段而直接将一种类型的成熟体细胞转化为另一种类型的成熟体细胞的技术被定义为直接重编程技术（Direct reprogramming），或称为转分化（Transdifferentiation）。陆续有研究报道在多种细胞类型间均实现了细胞直接重编程，如将星形胶质细胞重编程为神经细胞【3】，将心肌成纤维细胞重编程为心肌细胞【4】，将胚胎成纤维细胞重编程为肝细胞等【5】。

近日，北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC, Chapel Hill）钱莉教授团队在Nature Reviews Molecular Cell Biology 上发表了题为Direct Cell Reprogramming: Approaches, Mechanisms and Progress的综述。该综述详细阐述了直接重编程技术的发展历史和前景，总结了近年来该技术在分子机制层面上的研究进展，特别是利用单细胞组学分析揭示了其内在机制与潜在研究方向。该综述是由博士后王昊飞，研究助理教授杨宇晨，刘建东教授与钱莉教授共同完成。

直接重编程技术作为一种细胞再生技术，因其不需要经过多能干细胞阶段的特点，能够在病变部位原位诱导病变细胞转变为有功能的靶细胞类型，实现细胞再生，进而达到治疗疾病的目的。这一特点可大大缩短病人获得治疗所需的时间，同时也可避免由于多能干细胞本身所带来的潜在致瘤风险。目前，直接重编程技术已经实现了在三个胚层之间进行成熟体细胞的相互转换（图一）。

图一  直接重编程实现了在三个胚层之间进行成熟体细胞的相互转换

成功构建一个直接重编程系统，主要需要考虑以下四个方面的内容。首先，筛选直接重编程所需的转录因子。研究早期，传统的方法是将靶细胞发育过程中的关键转录因子进行排列组合，以找到最优组合来实现细胞的重编程。近年来，研究人员不断开发新技术，例如通过比对起始细胞以及靶细胞转录组的差别，从而推算重编程所需转录因子的计算方法；或通过CRISPR激活技术（CRISPRa）对转录因子进行穷举测试（Exhaustive Screening），从而找到实现有效重编程的最优组合。其次，起始细胞类型的选择。一个合格的起始细胞类型需要同时具有可塑性以及在靶器官内大量存活这两个特点。第三，获得有功能的成熟靶细胞。目前通过直接重编程获得的靶细胞与体内原本存在的功能体细胞的分子学特征还有一定的差别。有研究表明通过模拟体内的微环境，比如3D培养技术或者加入某些细胞因子可以促进重编程细胞的成熟。第四，高效以及安全的递送方式。为了避免病毒载体插入基因组带来的健康风险，研究人员开发了使用非插入性的递送方式，比如使用仙台病毒、mRNA以及sgRNA等载体，来诱导细胞的重编程。

在分子机制层面，直接重编程的发生依赖于以下三个方面。第一，转录因子中的先锋因子（Pioneer Factor，具有打开异染色质的作用）以及各个转录因子之间的协同作用 ；第二，基因组水平上的表观遗传重组，包括染色质开放性（Chromatin Accessibility）、组蛋白修饰（Histone Modification）、组蛋白变体（Histone Variants）和DNA甲基化（DNA Methylation）等；第三，能量代谢方式上的转变（图二）。

图二  直接重编程过程中能量代谢方式上的转变

近年来随着单细胞测序技术的发展，研究人员对正处于重编程过程中的细胞进行单细胞转录组分析，其结果显示起始细胞处于不同的细胞周期，这可能是起始细胞异质性的主要决定因素。另外，基于单细胞转录组的轨迹分析，发现在重编程过程中可出现偏离靶细胞命运的异常细胞类型【6】，并进一步探索了导致该异常细胞类型出现的上游信号通路（图三）【7】。相信随着单细胞组学技术的不断发展，未来将会在生物学层面上更深入地挖掘直接重编程的分子机制，进而为细胞重编程的优化提供理论依据。

图三  单细胞转录组分析揭示了重编程过程中偏离靶细胞命运的异常细胞类型

直接重编程技术作为再生医学领域的新兴研究技术，为研究人员提供了独特且高效的方法以获得有功能的目标细胞类型，为该技术的基础研究以及临床转化应用奠定了基础。未来可通过跨学科的合作，将传统的分子生物学与单细胞测序技术、生物工程技术和计算模拟等领域充分融合，让我们更深入地理解细胞命运转化的过程，并为疾病的治疗提供新的治疗思路和策略。

原文链接：

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1. WADDINGTON, C. H. The strategy of the genes. A discussion of some aspects of theoretical biology. With an appendix by H. Kacser. Strateg. genes. A Discuss. some Asp. Theor. Biol. With an Append. by H. Kacser. (1957).

2. Davis, R. L., Weintraub, H. & Lassar, A. B. Expression of a single transfected cDNA converts fibroblasts to myoblasts. Cell 51, 987–1000 (1987).

3. Vierbuchen, T. et al. Direct conversion of fibroblasts to functional neurons by defined factors. Nature463, 1035–1041 (2010).

4. Ieda, M. et al. Direct Reprogramming of Fibroblasts into Functional Cardiomyocytes by Defined Factors. Cell 142, 375–386 (2010).

5. Huang, P. et al. Induction of functional hepatocyte-like cells from mouse fibroblasts by defined factors. Nature 475, 386–389 (2011).

6. Treutlein, B. et al. Dissecting direct reprogramming from fibroblast to neuron using single-cell RNA-seq. Nature 534, 391–395 (2016).

7. Zhou, Y. et al. Single-Cell Transcriptomic Analyses of Cell Fate Transitions during Human Cardiac Reprogramming. Cell Stem Cell 0, (2019)