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人类胚胎干细胞（hESCs）可用于再现体内发育过程，探究谱系特征和分化的分子机制。hESCs的分化可看作是多个细胞状态转变的非线性动力学过程。这一过程中，细胞状态转变前临界点的调节对于决定细胞命运至关重要。因此，识别人类胚胎干细胞分化过程的临界点以及关键的转录因子具有重要意义。

 

 

 

图1 图文摘要

 

外胚层、中胚层和内胚层的形成是胚胎发育过程中关键的生物过程。人类胚胎干细胞的分化过程本质上是一个非线性的多阶段动力学过程，其中包含多个转折点，对细胞命运的决定起着至关重要的作用。然而，该过程的临界点在很大程度上是未知的，当前科学界对这些关键事件的关键调控因子更是知之甚少。

 

hESCs分化为中内胚层(ME)，最终形成内胚层(DE)。这一过程可以看作是多个细胞状态转变的非线性动力学过程。为进一步阐明控制hESCs早期分化的动态分子控制机制，首先必须确定关键临界点及其关键调控因子，然而临界点附近的噪声和非线性动力学的高度敏感性超出传统差异表达分析的能力。因此，本文提出了M-DNB（module-based dynamic network biomarker）模型, 进行网络水平的建模，来探究分化、发育、疾病进展过程中的临界点或临界态，并识别相应的动态网络标志物。

 

传统的DNB方法是基于分岔理论中“一组/簇基因/分子的集体波动意味着即将发生的转变”原则建立的，然而由于不同的聚类方法，DNB分析可以得到不同的结论，同时DNB也不适合稀疏，噪声大的单细胞数据。在本研究中，我们建立了M-DNB模型（图2），在该模型中，每个给定的基因都有一个局部网络，而没有聚类过程，从而为临界点的检测提供了可靠的量化指标。

 

 

 

图2 M-DNB模型识别hESCs分化过程中的重要临界点

 

我们利用M-DNB模型在单细胞分辨率下探究hESCs内胚层分化过程中的临界点及其主要调控因子，分析了胚胎干细胞分化的单细胞时间序列数据，并确定了两个重要的临界点，分别为胚胎干细胞分化的12小时和36小时。同时我们也利用整合通路分析（Ingenuity Pathway Analysis, IPA）对两个临界点的M-DNB基因上游调控因子进行分析，并确定了五个关键的转录因子MYCN, FOS, HSF1, TP53, MYC（M-DNB factors），其中MYCN, FOS, HSF1 和TP53为第一个临界点12小时的M-DNB factors, MYCN, HSF1和MYC是第二个临界点36小时的M-DNB factors。

 

为进一步验证M-DNB factors在hESCs分化中的作用，我们通过在hESCs分化至内胚层过程中的临界点附近敲除或过表达M-DNB factors的方法进行基因扰动分析，并得到相关的RNA-seq和ATAC-seq。通过与正常分化的细胞进行比较，我们发现M-DNB factors可有效延迟hESCs的分化进程。

 

总结与展望

 

M-DNB模型从非线性动力系统的方向揭示了生物过程中的临界态以及重要的动态网络标志物。本模型可以适用于更广泛的生物进程，例如肿瘤耐药和癌症转移进程等。M-DNB模型将从全新的角度来解析这些重要的生物进程。

 

责任编辑

 

汪   洋      暨南大学

 

田鲁亦      广州国家实验室

 

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Report发表的“Dynamic network biomarker factors orchestrate cell-fate determination at tipping points during hESC differentiation” (投稿: 2022-09-09；接收: 2022-12-16；在线刊出: 2022-12-20)。

 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100364

 

引用格式：Li L., Xu Y., Yan L., et al. (2022). Dynamic network biomarker factors orchestrate cell-fate determination at tipping points during hESC differentiation. The Innovation. 4(1),100364.

 

作者简介

 

陈洛南，分子细胞科学卓越创新中心研究员，博士生导师。主要从事生物信息学、网络生物学、机器学习和人工智能的方法研究，及在生物学和复杂疾病研究等领域的应用工作。

 

http://cemcs.cas.cn/sourcedb_cemcs_cas/zw/pi/202008/t20200823_5670080.html

 

程 新，分子细胞科学卓越创新中心研究员，博士生导师。主要研究方向为内胚层干细胞分化的分子调控机制；多能干细胞和内胚层干细胞的体外高效定向诱导分化技术；利用干细胞来源的功能性肝细胞和胰腺内分泌细胞构建疾病模型、实现临床细胞治疗。

 

http://cemcs.cas.cn/sourcedb_cemcs_cas/zw/pi/202008/t20200823_5670084.html

 

高 栋，分子细胞科学卓越创新中心研究员，博士生导师。主要研究方向为成体干细胞和肿瘤祖细胞，寻找维持成体干细胞多能性的主要调控基因; 组织器官的体外功能性构建；体外重建不同时期的肿瘤类器官模型，研究肿瘤细胞可塑性与肿瘤抗药性的分子机理；建立来源于中国癌症病人的类器官模型库，进行高通量药物筛选，发展新的抗癌药物。

 

http://cemcs.cas.cn/sourcedb_cemcs_cas/zw/pi/202008/t20200823_5670079.html

 

 

 

楼 元，上海交通大学数学科学学院教授。主要研究方向为偏微分方程理论及在生物中的应用。

 

https://www.math.sjtu.edu.cn/Default/teachershow/tags/MDAwMDAwMDAwMLN4ipg