2021年2月22日，北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC, Chapel Hill）钱莉教授领导的团队在Nature Reviews Molecular Cell Biology上发表了题为Direct Cell Reprogramming: Approaches, Mechanisms and Progress的综述。该综述详细阐述了直接转分化技术的发展历史和前景，总结了近年来该技术在分子机制层面上的研究进展，以及利用单细胞组学分析揭示了其内在机制与潜在研究方向。利用合适的生物因子组合，不经过多能干细胞阶段而直接将一种类型的成熟体细胞转化为另一种类型的成熟体细胞的技术被定义为直接重编程技术，或称为直接转分化技术。目前通过转分化可以获得的细胞亚型越来越多，在疾病病理机制研究以及治疗方面，直接转分化技术具广阔的应用及研究空间。
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1957年，发育生物学家Waddington将胚胎干细胞比喻成位于山丘顶部的大理石，而正常细胞的发育过程则好比是大理石从山顶滚至山谷的过程。不同的滚落途径，不同的细胞命运，到达不同的终点。这个过程是不可逆的、不可扭转的。然而，1987年Davis 研究团队首 次报道，通过过表达特定的转录因子MyoD，可以使小鼠胚胎成纤维细胞转分化为肌细胞。这项发现表明细胞命运可以被改变，人们也开始重新定义细胞分化的概念。
通过过表达MyoD成功将小鼠的成纤维细胞转分化为肌细胞后，研究人员就开始尝试使用其他转化因子以及转化因子的组合将成熟体细胞进行转化为另一种细胞。1995年，通过过表达Gata1将禽类骨髓细胞转分化为凝血细胞，以及将巨噬细胞转化为骨髓细胞、红细胞等。2004年和2006年，通过过表达C/EBP和PU.1可以将完全分化的小鼠前T细胞或B细胞转分化为巨噬细胞。之后测试1000多个转录因子发现，g3、Pdx1和Mafa的组合可以将成人胰腺外分泌细胞转分化为小鼠体内胰岛素分泌细胞。但这些已实现的转分化都发生在同一胚胎生殖层的细胞之间。
2006年iPSC技术取得重大突破，可以将成熟体细胞恢复到与胚胎干细胞类似状态，获得多功能干细胞。这项突破促使研究人员将体细胞从相同或不同的生殖层转分化为另一类型的细胞。2010年在测试了对心脏发育至关重要的14个转录因子之后，通过过表达Gata4、Mef2c和Tbx5将小鼠的成纤维细胞转分化为心肌细胞，这些诱导心肌细胞可以进行活体移植。2012年研究人员发现使用GMT或GHMT可以将内源性心脏成纤维细胞原位诱导转分化为诱导心肌细胞，使得心肌梗塞的骨髓模型中心脏功能得到弥补改善。同一时间有研究表明，通过合适的转录因子组合可以将小鼠的成纤维细胞转化为诱导神经元和诱导肝细胞。
近几年，随着单细胞测序技术的发展，研究人员对直接转分化有了更深层次的理解。从分子机制层面上，直接转分化的发生依赖以下三个方面。第 一，合适的转录因子，包括启动因子和转录因子组合；第二，表观遗传基因重组，包括染色质的开放性、组蛋白修饰、组蛋白变体、DNA甲基化等；第三，细胞代谢方式改变。
在转化过程中，直接转分化无需经过中间iPSC重置过程，能够在病变部位原位或体外直接诱导病变细胞转变为有功能的靶细胞类型，实现细胞再生。对比iPSC转分化需要将体细胞分离并重置回到多功能干细胞状态，由他们转分化为不同的体细胞，直接转分化具有更快的特点。此外，直接转分化可以在转分化的细胞中保留细胞的表观遗传特征，如年龄特征等。这使得直接转分化获得的细胞更适合模拟与衰老有关的疾病。
目前虽然在体内和体外的多种细胞中实现了直接转分化，但在临床上使用这种方法仍面许多挑战：转化效率低、体外转分化技术不成熟、没有安全的移植方法、细胞源受限、无法精 准的获得所需的细胞亚型等。尽管直接转分化的临床应用具有诸多困难，但直接转分化能够获得各种具有年龄、病理特征细胞亚型，能够很好的模拟患者体内的细胞状态，并以此建立与疾病相匹配的细胞模型。对于在细胞层面去研究疾病病理机制，这项技术能够提供充足的研究模型，尤其是神经细胞这类十分难以获取的细胞亚型。
直接转分化为细胞生物学的研究提供了一种新的研究方式，给基础研究和转化应用提供了一种独特而有效的方法来制备相匹配的细胞模型。其次直接转分化具有可以在活体器官原位转化的天然优势，在治疗人类多种疾病方面具有十分可观的前景。而且随着单细胞组学分析技术的飞速发展，我们现在能够以前所未有的精 确度和分辨率来研究直接转分化。以当前技术与其他学科相结合，可以更好的了解细胞转分化并以此开发更多新的治疗策略。
宁波易赛腾生物科技有限公司 李福云编译
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