利用单细胞分析技术研究小分子化合物诱导成体细胞转分化的分子机制

Cell fate decisions reflect complex processes in which numerous genes work in concert to encode hundreds of stable cell types. Recent advances have highlighted the remarkable ability to manipulate cellular states by small molecules, starting from induced pluripotency to lineage trans-differentiation. We found that, by treatment with four chemical combinations for 6 days, mouse embryonic fibroblast cells can be induced to transdifferentiate into multiple somatic lineages through different chemical combinations, we called them iMT primed cells. In the current proposal, we plan to utilize single cell mRNA-seq and single-cell methylation profiling techniques to dissect the molelcular mechanisms during such induced multi-lineage trans-differentiation process. We aim to investigate the dynamic genetic and epigenetic regulation during the stochastic cell fate decision at single cell resolution. We also aim to modify the culture system to achieve cardiomyocyte and astrocyte trans-differentiation with high efficiency. The proposed project will offer novel solutions for obtaining cell types with regenerative capabilities.

细胞的命运决定过程是成千上万的外源信号与内源基因协同作用的结果。近些年，科学家们可以只利用小分子化合物组合就实现体细胞的重编程和向三个胚层多个细胞种类的转分化。在之前的研究中，我们发现四个小分子化合物处理6天的小鼠胎儿成纤维细胞具备向多个世系转分化的能力，我们称之为iMT primed 细胞。本项目将对iMT primed 细胞的特点进行进一步探究，并利用单细胞转录组测序技术和单细胞基因组甲基化测序技术来解析这一多向转分化过程的分子机制，构建动态的基因调控模型，以期为特定细胞种类的定向转分化奠定理论基础，并实现心肌细胞和星形胶质细胞的高效的定向转分化。本项目将对再生医学的细胞来源问题，提供全新的解决思路。

细胞的命运决定过程是成千上万的外源信号与内源基因协同作用的结果。近些年，科学家们可以只利用小分子化合物组合就实现体细胞的重编程和向三个胚层多个细胞种类的转分化。本研究分别利用Fluidigm C1和Microwell-seq构建了高精度、高通量的小分子诱导多向转分化的时序性图谱, 构建了多向转分化过程中的调控网络的动态时空模型。通过对细胞类型分化轨迹的分析，发现小分子诱导转分化过程中，无需分化成iPSC即能向多谱系细胞类型进行分化，并且从单细胞水平验证了iMT primed 细胞的存在及特性。为了与正常体内细胞分化以及胚胎干细胞的命运决定过程进行比较，本研究绘制了人鼠单细胞图谱和胚胎干细胞分化图谱，进一步比较和阐述了细胞命运决定机制。此外，针对特定谱系，本项目还利用小分子化合物定向诱导造血干细胞体外扩增和分化，发现小分子组合CFO（CHIR-99021+Forskolin+OAC1）可促进造血干细胞体外扩增，并在体内实现有效的血细胞再生，并且利用Microwell-seq单细胞分析，进一步探索CFO作用后的造血干细胞异质性及机制。本项目从单细胞水平全面的解析了小分子诱导胚胎成纤维细胞及造血干细胞的详细过程，将对再生医学的细胞来源问题，提供全新的解决思路。