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科研進(jìn)展

周斌組合作建立譜系示蹤新技術(shù)發(fā)現(xiàn)成體脂肪干細(xì)胞

來源: 時間:2021-02-09

  2月10日,國際知名學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心周斌研究組和上海市胸科醫(yī)院何奔研究組合作研究論文“A Suite of New Dre-recombinase Drivers Markedly Expands the Ability to Perform Intersectional Genetic Targeting”。該研究系統(tǒng)建立了雙同源重組酶介導(dǎo)的譜系示蹤及遺傳靶向新技術(shù),并利用新技術(shù)發(fā)現(xiàn)成體脂肪干細(xì)胞(PDGFRa+PDGFRb+細(xì)胞)。該研究創(chuàng)建的遺傳新工具和策略適用于多種組織器官的發(fā)育、疾病和再生等研究,為深入了解器官發(fā)育,組織穩(wěn)態(tài)和再生過程中細(xì)胞起源及命運(yùn)調(diào)控機(jī)制提供了更多更強(qiáng)大的遺傳工具。

  闡明器官發(fā)育與組織再生中細(xì)胞起源和命運(yùn)調(diào)控機(jī)制對深入了解體內(nèi)細(xì)胞命運(yùn)可塑性具有重要意義。Cre-loxP等同源重組酶介導(dǎo)的遺傳譜系示蹤及遺傳靶向操作技術(shù)是揭示體內(nèi)細(xì)胞生物學(xué)功能的重要工具,不僅可以用于深入研究器官發(fā)育和再生過程中的分子機(jī)制,也是追蹤體內(nèi)細(xì)胞起源和命運(yùn)調(diào)控的重要手段。該技術(shù)能否精確進(jìn)行遺傳操作的關(guān)鍵在于驅(qū)動Cre表達(dá)的基因/啟動子是否特異,目前部分研究中使用的驅(qū)動Cre表達(dá)的基因/啟動子并不特異,容易造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的假陽性,以致于在細(xì)胞命運(yùn)和基因功能分析等研究中出現(xiàn)諸多爭議。在以往的研究中,周斌研究組開發(fā)了基于Dre-rox與Cre-loxP雙同源重組酶系統(tǒng)的遺傳譜系示蹤新技術(shù),并利用該技術(shù)解決了心血管領(lǐng)域中有關(guān)成體心臟干細(xì)胞的重大科學(xué)爭議。在該研究中,他們構(gòu)建了多種基于Cre-loxP和Dre-rox雙同源重組酶系統(tǒng)的遺傳工具小鼠,設(shè)計了多種遺傳示蹤和靶向操作的新策略,不僅實(shí)現(xiàn)了更為精準(zhǔn)地遺傳譜系示蹤和遺傳靶向操作,還極大地拓寬了遺傳示蹤和靶向操作技術(shù)使用范圍。利用新的遺傳工具和策略,他們首先對脂肪組織進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)了成體脂肪干細(xì)胞。

  近年來,全球肥胖人數(shù)日益增多,肥胖已成為世界性的公共衛(wèi)生問題,它給人類帶來的影響不僅是外貌體態(tài)的改變,更重要的是肥胖所引起的一系列疾病,如高血壓、心腦血管疾病、糖尿病乃至惡性腫瘤等,嚴(yán)重威脅人們的健康。脂肪細(xì)胞數(shù)量增加和體積增大是肥胖最主要的特征。哺乳動物的脂肪細(xì)胞主要分為兩種:一種是儲存脂質(zhì)的白色脂肪細(xì)胞,它包含一個占據(jù)大部分細(xì)胞體積的單個大脂質(zhì)囊泡和少量的線粒體;另一種是燃燒脂質(zhì)產(chǎn)生熱量的褐色脂肪細(xì)胞,細(xì)胞內(nèi)含有一些分散的小脂滴和大量的線粒體。肥胖主要是由于白色脂肪細(xì)胞的大量堆積,目前,在成體組織穩(wěn)態(tài)和應(yīng)激條件下,新生白色脂肪細(xì)胞的來源并不完全清楚。

  近十年來有大量研究結(jié)果表明,成體白色脂肪細(xì)胞的生成是在脂肪組織的血管壁附近進(jìn)行的。血管壁從內(nèi)到外主要由三層細(xì)胞構(gòu)成:血管內(nèi)皮細(xì)胞、血管壁細(xì)胞(包括周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞)和成纖維細(xì)胞。2008年,Jonathan M. Graff研究組在Science報道了脂肪干細(xì)胞主要來源于血管壁上的周細(xì)胞,并利用譜系示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)PDGFRb+血管周細(xì)胞可以在正常生理?xiàng)l件下產(chǎn)生新的脂肪細(xì)胞。隨后,Rana K. Gupta研究組證實(shí)了PDGFRb+的血管周細(xì)胞可以在應(yīng)激條件下轉(zhuǎn)分化為脂肪細(xì)胞。然而,在2017年,Sylvia M. Evans研究組利用基于Tbx18的遺傳工具對血管周細(xì)胞做了更為詳盡的細(xì)胞譜系示蹤工作,他們的研究結(jié)果否定了血管周細(xì)胞是脂肪干細(xì)胞的結(jié)論。為解決以上科學(xué)爭議,周斌研究組和何奔研究組合作創(chuàng)建了多種新的Dre和Cre工具小鼠,并結(jié)合Cre-loxP和Dre-rox雙同源重組酶系統(tǒng),對脂肪組織中PDGFRb+的細(xì)胞和PDGFRa+的細(xì)胞進(jìn)行遺傳譜系示蹤,結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個既表達(dá)PDGFRa又表達(dá)PDGFRb的細(xì)胞亞群。利用雙同源重組的譜系示蹤技術(shù),他們實(shí)現(xiàn)了將PDGFRa單陽性細(xì)胞、PDGFRb單陽性細(xì)胞和PDGFRa/PDGFRb雙陽性細(xì)胞在一個小鼠體內(nèi)同時進(jìn)行特異性標(biāo)記。在冷刺激環(huán)境下,發(fā)現(xiàn)只有PDGFRa單陽性細(xì)胞和PDGFRa/PDGFRb雙陽性細(xì)胞才會轉(zhuǎn)分化形成脂肪細(xì)胞,并揭示PDGFRa/PDGFRb雙陽性細(xì)胞群具有更強(qiáng)的產(chǎn)生新脂肪細(xì)胞的能力,該研究首次發(fā)現(xiàn)了PDGFRa/PDGFRb雙陽性細(xì)胞是成體脂肪干細(xì)胞。進(jìn)一步對小鼠脂肪組織進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn),PDGFRa單陽性細(xì)胞亞群和PDGFRa/PDGFRb雙陽性細(xì)胞亞群在基因表達(dá)水平上是具有顯著差異的。PDGFRa/PDGFRb雙陽性細(xì)胞亞群會高表達(dá)Cxcl14, Steap4Col15a1等基因,而PDGFRa單陽性細(xì)胞亞群則高表達(dá)Pi16, SbsnDpp4等基因。同時發(fā)現(xiàn)PDGFRa/PDGFRb雙陽性細(xì)胞亞群中的上調(diào)基因與細(xì)胞外組織結(jié)構(gòu)、血管發(fā)育、對傷口的應(yīng)激以及脂肪細(xì)胞分化等信號調(diào)控等相關(guān)。

  迄今為止,由于遺傳工具小鼠的局限性,缺乏特異性靶向白色脂肪細(xì)胞和特異性靶向淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞的遺傳工具?,F(xiàn)有的脂肪細(xì)胞Cre工具小鼠會同時靶向白色脂肪細(xì)胞和褐色脂肪細(xì)胞,而現(xiàn)有的淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞Cre的工具小鼠,例如Prox1-Cre在靶向淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞的同時也會靶向心肌細(xì)胞、肝細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等其它類型細(xì)胞。周斌研究組和何奔研究組在該項(xiàng)研究中創(chuàng)建了更精確的基因靶向策略,通過利用雙同源重組的交叉遺傳學(xué)設(shè)計了“NOT”和“AND” 兩種遺傳策略,能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的譜系示蹤和遺傳靶向操作,用于體內(nèi)基因功能的研究。利用“NOT”策略,他們創(chuàng)建了白色脂肪細(xì)胞的特異性靶向工具;利用“AND”策略,他們創(chuàng)建了淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞特異性的遺傳靶向工具?!癗OT”邏輯策略類比于數(shù)學(xué)集合中的取補(bǔ)集過程,即把所有的脂肪細(xì)胞看作集合S,褐色脂肪細(xì)胞群為S的一個子集A, 白色脂肪細(xì)胞群就是取子集A在S中的補(bǔ)集?!癆ND”的邏輯學(xué)策略類比于數(shù)學(xué)集合中的取交集過程,即把內(nèi)皮細(xì)胞群(血管內(nèi)皮細(xì)胞、淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞等)類比于集合A,PROX1標(biāo)記的所有細(xì)胞(淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞,神經(jīng)細(xì)胞,心肌細(xì)胞,肝細(xì)胞,晶狀體上皮細(xì)胞和纖維細(xì)胞等)類比于集合B,淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞就是取A和B的交集。

  綜上,該項(xiàng)研究建立和推廣了雙同源重組酶介導(dǎo)的遺傳譜系示蹤和遺傳靶向操作新技術(shù),建立了多種遺傳示蹤和靶向操作的新策略,為多種組織器官的發(fā)育、疾病、再生等研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。該研究著重研究了成體脂肪組織中新生脂肪細(xì)胞的來源,通過對脂肪組織血管周圍多種不同細(xì)胞亞群同時進(jìn)行遺傳示蹤,發(fā)現(xiàn)了成體脂肪干細(xì)胞,為進(jìn)一步研究肥胖及肥胖相關(guān)的慢性疾病提供了新方向。為拓展雙同源重組遺傳譜系示蹤技術(shù)的應(yīng)用,該研究分別介紹了“NOT”(比如白色脂肪特異性靶向工具)與“AND”(比如淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞特異性靶向工具)的應(yīng)用,為進(jìn)一步研究白色脂肪細(xì)胞與淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞的功能調(diào)控機(jī)制研究提供了更精準(zhǔn)的遺傳靶向操作工具。

  周斌研究組博士研究生韓溪檬、張震芊、朱歡以及副研究員何靈娟(現(xiàn)西湖大學(xué)研究員)為該論文共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心周斌研究員和上海市胸科醫(yī)院何奔教授為該論文共同通訊作者。該研究得到了暨南大學(xué)田雪瑩研究員,復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院王利新教授,上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院段勝仲教授,上海南方模式生物研究中心費(fèi)儉教授、孫瑞林博士、王津津博士,瑞典阿斯利康公司Qing-Dong Wang博士以及中科院分子細(xì)胞卓越中心動物平臺和細(xì)胞平臺的大力支持,并得到來自中科院、基金委、科技部、上海市科委等部門的經(jīng)費(fèi)支持。

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