作者:本杰明·伯特纳，哈佛大学 合作团队成功地使用他们的计算机引导设计工具IRENE来重建控制诱导多能干细胞身份的基因调控网络
学分:哈佛大学威斯学院 非常需要产生各种类型的细胞，用于新疗法，以替代由于疾病或损伤而丢失的组织，或者用于人体外的研究，以提高我们对器官和组织在健康和疾病中如何发挥作用的理解
其中许多努力始于人类诱导多能干细胞，理论上，这些细胞在正确的培养条件下能够分化成几乎任何细胞类型
2012年诺贝尔奖授予山中伸弥，表彰他发现了一种策略，可以通过向成人细胞提供一组确定的基因调节转录因子来重新编程成人细胞，使其成为iPSCs
然而，从那里进展到有效地产生具有生物医学应用的组织特异性分化功能的广泛细胞类型仍然是一个挑战
虽然细胞类型特异性转录因子在iPSC中的表达是最常用的细胞转化技术，但目前引导IpsC通过不同的“谱系阶段”达到完全功能分化状态(例如，特定的心脏、大脑或免疫细胞)的效率较低，主要是因为最有效的转录因子组合不容易确定
指导细胞通过特定细胞分化过程的转录因子与基因的调节区结合，以控制它们在基因组中的表达
然而，多个转录因子必须在更大的基因调控网络中发挥作用，以驱动细胞在其谱系中的进程，直到达到最终的分化状态
乔治·丘奇博士领导的一个合作项目
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哈佛大学怀斯生物启发工程学院和哈佛医学院，安东尼奥·德尔·索尔博士
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他是西班牙巴斯克地区研究和技术联盟的成员之一，同时也是卢森堡系统生物医学中心(LCSB，卢森堡大学)的计算生物学小组的负责人。他开发了一种叫做IRENE的计算机引导设计工具，通过预测细胞类型特异性转录因子的高效组合，大大提高了细胞转化的效率
通过将IRENE与基因组整合系统相结合，该系统允许选定的转录因子在iPSCs中强有力地表达，研究小组证明了他们的方法能够产生比其他方法更多的用于免疫治疗的自然杀伤细胞和用于皮肤移植的黑素细胞
在科学上，首先产生乳腺上皮细胞，其可用性对于手术切除的乳腺组织的再繁殖是非常理想的
这项研究发表在《自然通讯》上
威斯核心学院成员丘奇说:“在我们小组中，这项研究自然建立在‘转录因子’项目的基础上，该项目汇集了一个包含1564个人类转录因子的综合文库，作为鉴定具有增强能力的转录因子组合的强大资源，以将人类iPSCs重新编程为不同的靶细胞类型。”
“这种计算算法的功效将推动我们在怀斯研究所和英国医学科学院的大量组织工程工作，作为一种开放资源，它可以为这个新兴领域的许多研究人员做同样的事情
丘奇是怀斯研究所合成生物学平台的领导者，也是英国皇家医学院的遗传学教授和哈佛及麻省理工学院的健康科学与技术教授
准备工具 已经开发了几种计算工具来预测特定细胞转化的转录因子的组合，但几乎完全是基于对许多细胞类型的基因表达模式的分析
这些方法中缺少的是表观遗传景观的观点，即基因周围的基因组本身的组织以及整个染色体部分的规模，这远远超出了裸基因组的序列
“细胞分化过程中表观遗传格局的变化预测了基因组中发生物理变化的区域，这些变化对于关键转录因子获得其目标基因至关重要
第一作者埃文·阿普尔顿博士说:“对这些变化进行分析，可以更准确地了解基因重组蛋白及其参与的促进特定细胞转化的转录因子。”
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阿普尔顿是教会小组的博士后研究员，他与萨莎·荣格博士合作
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，来自德尔索尔集团的新研究
“我们在西班牙的合作者开发了一种计算方法，将这些表观遗传变化与基因表达的变化相结合，产生关键的转录因子组合作为输出，我们处于测试的理想位置
" 该团队使用他们的计算“整合基因调控网络模型”(IRENE)方法来重建控制iPSCs的GRN，然后专注于三种具有临床相关性的靶细胞类型，以实验验证IRENE优先考虑的TF组合
为了将转移因子组合传递到iPSCs中，他们部署了一个基于转座子的基因组整合系统，该系统可以将编码转移因子的基因的多个拷贝整合到基因组中，从而使组合的所有因子都能稳定表达
转座子是可以从基因组的一个位置跳到另一个位置的脱氧核糖核酸元件，或者在这种情况下，从外源提供的一段脱氧核糖核酸跳到基因组中
“我们的研究团队由来自LCSB和中投生物杂志的科学家组成，在开发促进细胞转化的计算方法方面拥有长期的专业知识
“艾琳是我们工具箱中的一个额外资源，实验验证表明，在大多数测试案例中，它大大提高了效率，”相应的作者德尔索尔，他是LCSB和中投生物杂志的教授
“我们的基础研究最终将使患者受益，我们很高兴艾琳能够提高可用于治疗应用的细胞来源的产量，如细胞移植和基因治疗
" 在单元格中验证计算机指导的设计工具 研究人员选择人类乳腺上皮细胞作为第一种细胞类型
到目前为止，从一个组织环境中获得人胚胎干细胞，将其分离并移植到切除乳腺组织的环境中
通过中间iPSC阶段从患者细胞产生的HMECs可以提供一种侵入性更小且更有效的乳房组织再生的方法
由IRENE产生的一种组合使该团队能够在特定于iPSC的培养基中将14%的iPSC转化为分化的HMECs，表明所提供的TF足以在没有额外因素帮助的情况下推动转化
研究小组随后将注意力转向黑素细胞，黑素细胞可以为细胞移植物提供细胞来源，以替代受损的皮肤
这一次，他们在黑素细胞目的培养基中进行细胞转化，以显示所选的转移因子在针对所需细胞类型优化的培养条件下发挥作用
四种组合中有两种能够将黑素细胞转化效率提高900%，相比之下，目的培养基中生长的iPSCs不含TFs
最后，研究人员比较了由IRENE优先选择的产生自然杀伤细胞的细胞因子组合和仅基于细胞培养条件的最先进的分化方法
已经发现免疫自然杀伤细胞可以改善白血病的治疗
研究人员的方法优于标准，八种组合中有五种将具有关键标记的自然杀伤细胞的分化提高了250%
“这种新颖的计算方法可以极大地促进怀斯研究所和世界各地许多其他研究机构的细胞和组织工程工作
这一进展将极大地扩展我们的工具箱，因为我们正在努力开发新的再生医学方法来改善患者的生活
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，Ph
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他也是英国皇家海军和波士顿儿童医院的犹大·福克曼血管生物学教授，以及哈佛大学约翰·阿的生物工程学教授
保尔森工程和应用科学学院
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