轉分化是實現細胞命運重編程的方式之一。轉分化無需經過多潛能細胞狀態，便能直接地產生新的細胞類型。基於此特點，在組織損傷修復或再生過程中，將損傷部位存留的其它正常細胞原位轉分化為受損細胞，是目前研究熱點之一。因此，該過程的轉化過渡態和驅動機制急需深入表徵和解析，以期實現轉分化的轉化應用價值。
劉峰團隊以斑馬魚和小鼠為模式生物,長期致力於研究造血幹細胞發育與再生的調控機制。脊椎動物造血幹細胞通過「內皮–造血轉化（endothelial-to-hematopoietic transition，eht）」的轉分化過程產生，該過程主要發生於胚胎主動脈腹側壁。
近年來，該團隊圍繞eht取得了一系列研究進展，包括鑒定了轉化過渡態異質性及異質性亞群標記分子spi2等。為了進一步探索轉分化的普適性原理，該團隊以小鼠胚胎為模型，對eht、「內皮–間質轉化（endothelial-to-mesenchymal transition，endomt）」和「上皮–間質轉化（epithelial-to-mesenchymal transition，emt）」三個過程進行了聯合分析。
2024年3月19日，劉峰團隊在知名期刊developmental cell發表了題為single-cell omics identifies inflammatory signaling as a trans-differentiation trigger in mouse embryos的研究論文。該工作利用單細胞聯合組學和功能分析，發現炎性信號可以作為轉分化過程中一種共性驅動力。
研究人員首先對主動脈區cd31+細胞（包括內皮細胞、過渡態細胞和造血干/祖細胞前體細胞）進行了單細胞轉錄組測序，同時也收集了已發表的骨髓endomt和小腸emt單細胞轉錄組數據。通過對這些數據進行定量得分分析和聯合對比分析，研究人員發現，三種轉分化過渡態均具有：
（1）增強的命運可塑性（轉錄組熵值）；
（2）起始/終末態雙潛能特徵（轉錄因子表達得分）；（3）臨界轉變狀態特徵（動態網路生物標記得分）以及（4）富集的炎性基因表達特徵。鑒於促炎因子白介素33（interleukin-33，il-33）可以驅動endomt和emt，研究人員通過功能實驗發現外源添加il-33也能夠驅動主動脈區eht，這說明il-33可以作為這三種轉分化過程中的一個共性驅動因子。
為了動態模擬轉分化過程並鑒定關鍵驅動信號，研究人員以eht為例重構了轉錄組向量場（一種基於細胞轉錄狀態預測細胞命運的演算法），結果發現過渡態命運轉化關鍵節點存在明顯的炎性基因轉錄特徵。值得注意的是，該團隊既往一項研究發現tlr4–myd88–nf-κb炎性信號通路能調控造血干/祖細胞產生，這些發現說明炎性信號是eht的關鍵驅動信號；研究人員同時也對eht進行了單細胞染色質開放性分析，結果發現炎性基因調控元件的染色質在過渡態中呈現開放狀態。
為了進一步解析炎性信號調控機制，研究人員篩選得到了一個炎性信號效應轉錄因子spi1，通過構建內皮細胞基因敲除小鼠品系，發現eht和造血干/祖細胞產生受損。對該突變體進行單細胞轉錄組/染色質開放性聯合分析，研究人員發現過渡態中造血分子程序未正常啟動，而內皮分子程序和endomt/間質細胞分子程序呈現過度或異常激活狀態，這說明spi1對於維持eht分子程序有序動態變化至關重要。
最後，研究人員通過外源添加白介素和過表達spi1可以誘導小鼠胎肝/骨髓內皮細胞（生理情況下無eht能力）發生eht併產生血細胞，這說明操縱炎性因子及其效應因子組成的信號軸可以驅動轉分化的發生。
圖片摘要
劉峰教授為本文的通訊作者。山東大學生命科學學院博士後張一帆和中國科學院動物研究所博士研究生康志鑫為該論文的共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.02.010
https://www.lifesci.sdu.edu.cn/info/1025/10269.htm
