2021年2月22日，北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校（UNC, Chapel Hill）錢(qián)莉教授領(lǐng)導的團隊在Nature Reviews Molecular Cell Biology上發(fā)表了題為Direct Cell Reprogramming: Approaches, Mechanisms and Progress的綜述。該綜述詳細闡述了直接轉分化技術(shù)的發(fā)展歷史和前景，總結了近年來(lái)該技術(shù)在分子機制層面上的研究進(jìn)展，以及利用單細胞組學(xué)分析揭示了其內在機制與潛在研究方向。利用合適的生物因子組合，不經(jīng)過(guò)多能干細胞階段而直接將一種類(lèi)型的成熟體細胞轉化為另一種類(lèi)型的成熟體細胞的技術(shù)被定義為直接重編程技術(shù)，或稱(chēng)為直接轉分化技術(shù)。目前通過(guò)轉分化可以獲得的細胞亞型越來(lái)越多，在疾病病理機制研究以及治療方面，直接轉分化技術(shù)具廣闊的應用及研究空間。

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1957年，發(fā)育生物學(xué)家Waddington將胚胎干細胞比喻成位于山丘頂部的大理石，而正常細胞的發(fā)育過(guò)程則好比是大理石從山頂滾至山谷的過(guò)程。不同的滾落途徑，不同的細胞命運，到達不同的終點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程是不可逆的、不可扭轉的。然而，1987年Davis 研究團隊首 次報道，通過(guò)過(guò)表達特定的轉錄因子MyoD，可以使小鼠胚胎成纖維細胞轉分化為肌細胞。這項發(fā)現表明細胞命運可以被改變，人們也開(kāi)始重新定義細胞分化的概念。

通過(guò)過(guò)表達MyoD成功將小鼠的成纖維細胞轉分化為肌細胞后，研究人員就開(kāi)始嘗試使用其他轉化因子以及轉化因子的組合將成熟體細胞進(jìn)行轉化為另一種細胞。1995年，通過(guò)過(guò)表達Gata1將禽類(lèi)骨髓細胞轉分化為凝血細胞，以及將巨噬細胞轉化為骨髓細胞、紅細胞等。2004年和2006年，通過(guò)過(guò)表達C/EBP和PU.1可以將完全分化的小鼠前T細胞或B細胞轉分化為巨噬細胞。之后測試1000多個(gè)轉錄因子發(fā)現，g3、Pdx1和Mafa的組合可以將成人胰腺外分泌細胞轉分化為小鼠體內胰島素分泌細胞。但這些已實(shí)現的轉分化都發(fā)生在同一胚胎生殖層的細胞之間。

2006年iPSC技術(shù)取得重大突破，可以將成熟體細胞恢復到與胚胎干細胞類(lèi)似狀態(tài)，獲得多功能干細胞。這項突破促使研究人員將體細胞從相同或不同的生殖層轉分化為另一類(lèi)型的細胞。2010年在測試了對心臟發(fā)育至關(guān)重要的14個(gè)轉錄因子之后，通過(guò)過(guò)表達Gata4、Mef2c和Tbx5將小鼠的成纖維細胞轉分化為心肌細胞，這些誘導心肌細胞可以進(jìn)行活體移植。2012年研究人員發(fā)現使用GMT或GHMT可以將內源性心臟成纖維細胞原位誘導轉分化為誘導心肌細胞，使得心肌梗塞的骨髓模型中心臟功能得到彌補改善。同一時(shí)間有研究表明，通過(guò)合適的轉錄因子組合可以將小鼠的成纖維細胞轉化為誘導神經(jīng)元和誘導肝細胞。

近幾年，隨著(zhù)單細胞測序技術(shù)的發(fā)展，研究人員對直接轉分化有了更深層次的理解。從分子機制層面上，直接轉分化的發(fā)生依賴(lài)以下三個(gè)方面。第 一，合適的轉錄因子，包括啟動(dòng)因子和轉錄因子組合；第二，表觀(guān)遺傳基因重組，包括染色質(zhì)的開(kāi)放性、組蛋白修飾、組蛋白變體、DNA甲基化等；第三，細胞代謝方式改變。

在轉化過(guò)程中，直接轉分化無(wú)需經(jīng)過(guò)中間iPSC重置過(guò)程，能夠在病變部位原位或體外直接誘導病變細胞轉變?yōu)橛泄δ艿陌屑毎?lèi)型，實(shí)現細胞再生。對比iPSC轉分化需要將體細胞分離并重置回到多功能干細胞狀態(tài)，由他們轉分化為不同的體細胞，直接轉分化具有更快的特點(diǎn)。此外，直接轉分化可以在轉分化的細胞中保留細胞的表觀(guān)遺傳特征，如年齡特征等。這使得直接轉分化獲得的細胞更適合模擬與衰老有關(guān)的疾病。

目前雖然在體內和體外的多種細胞中實(shí)現了直接轉分化，但在臨床上使用這種方法仍面許多挑戰：轉化效率低、體外轉分化技術(shù)不成熟、沒(méi)有安全的移植方法、細胞源受限、無(wú)法精 準的獲得所需的細胞亞型等。盡管直接轉分化的臨床應用具有諸多困難，但直接轉分化能夠獲得各種具有年齡、病理特征細胞亞型，能夠很好的模擬患者體內的細胞狀態(tài)，并以此建立與疾病相匹配的細胞模型。對于在細胞層面去研究疾病病理機制，這項技術(shù)能夠提供充足的研究模型，尤其是神經(jīng)細胞這類(lèi)十分難以獲取的細胞亞型。

直接轉分化為細胞生物學(xué)的研究提供了一種新的研究方式，給基礎研究和轉化應用提供了一種獨特而有效的方法來(lái)制備相匹配的細胞模型。其次直接轉分化具有可以在活體器官原位轉化的天然優(yōu)勢，在治療人類(lèi)多種疾病方面具有十分可觀(guān)的前景。而且隨著(zhù)單細胞組學(xué)分析技術(shù)的飛速發(fā)展，我們現在能夠以前所未有的精 確度和分辨率來(lái)研究直接轉分化。以當前技術(shù)與其他學(xué)科相結合，可以更好的了解細胞轉分化并以此開(kāi)發(fā)更多新的治療策略。

寧波易賽騰生物科技有限公司  李福云編譯

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