在器官發(fā)生和再生過(guò)程中，細(xì)胞的一種關(guān)鍵特征就是轉(zhuǎn)變命運(yùn)并獲得新的身份，然而，人們對(duì)這種轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機(jī)制知之甚少。血管系統(tǒng)通過(guò)拮抗性轉(zhuǎn)錄程序在胚胎發(fā)生過(guò)程中分化成動(dòng)脈和靜脈，從而提供一種理解這種轉(zhuǎn)變過(guò)程的生物學(xué)模型。這些拮抗性轉(zhuǎn)錄程序包括用于維持動(dòng)脈的Notch信號(hào)和用于維持靜脈的COUP-TF（也被稱(chēng)作NR2F2）。在胚胎發(fā)生過(guò)程中，心臟中的一部分冠狀動(dòng)脈來(lái)源于被稱(chēng)作靜脈竇（sinus venosus, SV）的靜脈。盡管在發(fā)育期間，靜脈能夠成為新動(dòng)脈的來(lái)源，但是這種靜脈-動(dòng)脈轉(zhuǎn)變的時(shí)間選擇和要求是不清楚的。

如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自心血管醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域的一組科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)試方法，用于依據(jù)小鼠遺傳學(xué)中的單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)對(duì)細(xì)胞亞群進(jìn)行分類(lèi)，并鑒定在心臟形成期間指導(dǎo)發(fā)育轉(zhuǎn)變的細(xì)胞群體。這項(xiàng)研究將針對(duì)靜脈竇的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、計(jì)算分析和生物學(xué)分析結(jié)合在一起，證實(shí)靜脈細(xì)胞逐漸地同時(shí)地將它們的命運(yùn)由靜脈細(xì)胞向動(dòng)脈細(xì)胞轉(zhuǎn)變，然后一部分細(xì)胞跨過(guò)轉(zhuǎn)錄閾值而進(jìn)入前動(dòng)脈細(xì)胞狀態(tài)。理解細(xì)胞命運(yùn)如何在發(fā)育過(guò)程中轉(zhuǎn)變以及相關(guān)的抑制信號(hào)將有助于加深對(duì)組織生長(zhǎng)和器官發(fā)生的了解，從而改善再生醫(yī)學(xué)中的組織工程策略。

在這項(xiàng)新的研究中，Tianying Su等人首先進(jìn)行一種兩步統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：先利用迭代穩(wěn)健主成分分析（iterative robust principal component analysis, rPCA），隨后利用成對(duì)離散性測(cè)試（pairwise discreteness test），鑒定前動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞亞型，比如靜脈竇冠狀動(dòng)脈祖細(xì)胞（SV coronary progenitor, SVc）和靜脈竇瓣膜祖細(xì)胞（SV valve progenitor, SVv），并對(duì)它們進(jìn)行歸類(lèi)。這些結(jié)果通過(guò)計(jì)算模擬得到確認(rèn)，并且在關(guān)系圖上得到呈現(xiàn)，以便鑒定出ApjCreER轉(zhuǎn)基因小鼠品系中的內(nèi)皮細(xì)胞亞型的發(fā)育轉(zhuǎn)變。通過(guò)觀(guān)察連續(xù)的細(xì)胞群體中的基因表達(dá)變化，就可在高分辨率下研究細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變。

這些研究人員隨后在胚胎第12.5天（embryonic day 12.5, E12.5）移除小鼠胚胎心臟中的經(jīng)過(guò)譜系標(biāo)記的內(nèi)皮細(xì)胞，開(kāi)展進(jìn)一步的分析。統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)與解剖關(guān)系是相一致的。值得注意的是，胚胎細(xì)胞在血液開(kāi)始流動(dòng)之前就顯示出向動(dòng)脈命運(yùn)的轉(zhuǎn)換，因而這些細(xì)胞就被稱(chēng)為前動(dòng)脈細(xì)胞（pre-artery cell）。

正如預(yù)測(cè)的那樣，免疫染色研究也支持胚胎細(xì)胞成熟和命運(yùn)轉(zhuǎn)變。作為一種晚期胚胎階段特異性的間隙連接蛋白，連接蛋白（CX40）在E12.5早期出現(xiàn)，這就表明前動(dòng)脈細(xì)胞作為心臟祖細(xì)胞在形成大部分成熟的冠狀動(dòng)脈中發(fā)揮作用。在心臟形成期間血液開(kāi)始流動(dòng)之后發(fā)生的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)變化被認(rèn)為是由剪切應(yīng)力（shear stress）造成的。

當(dāng)將靜脈-動(dòng)脈發(fā)育轉(zhuǎn)變投射到一個(gè)線(xiàn)性連續(xù)體上時(shí)，隨著細(xì)胞向前動(dòng)脈命運(yùn)轉(zhuǎn)變，單個(gè)靜脈細(xì)胞的身份逐漸喪失。這些結(jié)果表明，在達(dá)到靜脈身份喪失和動(dòng)脈身份增加的閾值后，前動(dòng)脈特化（pre-artery specification, 編者注：靜脈細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榍皠?dòng)脈細(xì)胞）就發(fā)生了；起初，靜脈身份的喪失是逐漸進(jìn)行的，隨后動(dòng)脈身份逐漸增加。

為了確定前動(dòng)脈特化是動(dòng)脈形成所必需的，這些研究人員通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中阻斷這個(gè)過(guò)程進(jìn)行了功能喪失研究。這能夠通過(guò)阻斷COUP-TF2加以實(shí)現(xiàn)，其中COUP-TF2是一種通常誘導(dǎo)靜脈命運(yùn)（同時(shí)阻斷動(dòng)脈命運(yùn)）的調(diào)節(jié)因子。在動(dòng)脈前特化發(fā)生之前誘導(dǎo)表達(dá)COUP-TF2就可阻止靜脈細(xì)胞形成冠狀動(dòng)脈，這表明未能獲得前動(dòng)脈細(xì)胞的命運(yùn)。

這些數(shù)據(jù)證實(shí)當(dāng)單個(gè)心臟祖細(xì)胞達(dá)到分化為前動(dòng)脈細(xì)胞的閾值時(shí)，在血管生成期間的命運(yùn)轉(zhuǎn)變逐漸地發(fā)生。前動(dòng)脈細(xì)胞最終形成成熟的冠狀動(dòng)脈。通過(guò)這種方式開(kāi)展的基礎(chǔ)科學(xué)研究有助深入認(rèn)識(shí)細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變機(jī)制，并提供潛在的治療應(yīng)用。未來(lái)的實(shí)驗(yàn)可以研究血管生成過(guò)程中的心臟動(dòng)脈分化，從而有助于開(kāi)發(fā)再生療法。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Cardiac progenitor cells undergo a cell fate switch to build coronary arteries

Su et al. Single-cell analysis of early progenitor cells that build coronary arteries. Nature, 04 July 2018, doi:10.1038/s41586-018-0288-7.

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Wu et al. Endocardial cells form the coronary arteries by angiogenesis through myocardial-endocardial VEGF signaling. Cell, November 2012, doi:10.1016/j.cell.2012.10.023.

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Velten et al. Human haematopoietic stem cell lineage commitment is a continuous process. Nature Cell Biology, April 2017, doi:10.1038/ncb3493.

原標(biāo)題：重大進(jìn)展！Nature等多篇論文揭示心臟祖細(xì)胞需要經(jīng)歷細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變方能最終產(chǎn)生冠狀動(dòng)脈