From intra to intercellular regulatory networks that define cell type identity

项目摘要 细胞命运工程化，例如多能干细胞的定向分化或 体细胞类型之间的直接转换， 建模，药物筛选，并导致再生医学疗法。 我最近 开发了一种新的分析工具，CellNet，它评估了工程细胞 基于细胞和组织特异性基因调控， 网络（GRNs）。 通过将CellNet应用于所有细胞命运工程研究， 兼容的数据可用，我发现了几个常见的问题， 几乎所有的方法和目标谱系。首先，我发现唯一坚定的命运 工程学是将基因重编程为多能性。其次，我发现， 起始细胞类型（例如在定向分化的情况下的多能干细胞，或 在直接转化的情况下通常是成纤维细胞）通常部分保留在工程化的 细胞第三，我发现交替血统的GRN（即那些与 起始细胞类型或靶谱系）经常在工程化细胞中建立。 最后，我发现小鼠微环境的复杂信号环境， 移植的工程细胞有效抑制交替/异常谱系 并在直接转化的细胞中诱导靶细胞型GRNs。 这些观察结果 揭示了忠实的细胞命运工程的几个基本障碍， 确定进步的机会。 我目前的研究计划，我寻求资助 通过这个MIRA的机会，是发展新的理论和计算 从单细胞RNA-测序（scRNA-测序）数据中确定细胞类型同一性的方法， 强调中胚层发育过程中出现的发育细胞类型， 软骨细胞的命运。 作为这项工作的一部分，我们将 我们将收集发育中和成年滑膜关节的scRNA-测序数据， 将其他公开可获得的和合作者提供的scRNA-测序数据 谱系，以建立一个普遍适用的平台，用于评估细胞类型的身份， 单细胞水平的分辨率，我们将使由此产生的方法，软件， 免费提供数据。最后，我们将使用该系统来确定 直接分化的小鼠ESC的细胞类型和组成与它们的体内细胞类型和组成相匹配。 同行

Project Abstract      Cell fate engineering, for example the directed differentiation of pluripotent stem cells or  the direct conversion among somatic cell types, holds great promise to improve disease  modeling,  drug  screening,  and  to  lead  to  regenerative  medicine  therapies.  I  recently  developed  a  novel  analytical  tool,  CellNet,  which  assesses  how  well  engineered  cells  approach their in vivo target cell types based on cell and tissue specific gene regulatory  networks  (GRNs).  By  applying  CellNet  to  all  cell  fate  engineering  studies  for  which  compatible  data  was  available,  I  discovered  several  issues  that  were  common  to  virtually all methods and target lineages. First, I found that the only robustly faithful fate  engineering was that of reprogramming to pluripotency. Second, I found that the GRN of  the  starting  cell  type  (e.g.  pluripotent  stem  cells  in  cases  of  directed  differentiation  or  often  fibroblasts  in  cases  of  direct  conversion)  is  often  partially  retained  in  engineered  cells. Third, I found that GRNs of alternate lineages (i.e. those not associated with the  starting  cell  type  or  the  target  lineage)  are  frequently  established  in  engineered  cells.  Finally,  I  found  that  the  complex  signaling  milieu  of  the  mouse  microenvironment  to  which engineered cells are transplanted potently represses alternate/aberrant lineages  and  induces  the  target  cell  type  GRNs  in  directly  converted  cells.  These  observations  have  revealed  several  fundamental  barriers  to  faithful  cell  fate  engineering  and  they  define  opportunities  for  progress.  My  current  research  program,  which  I  seek  to  fund  through  this  MIRA  opportunity,  is  to  develop  novel  theoretical  and  computational  methods to define cell type identity from single cell RNA-­Seq (scRNA-­Seq) data with an  emphasis on developmental cell types that emerge during mesoderm development and  subsequent  commitment  to  chondrocyte  fate.  As  part  of  this  work,  we  will  generate  scRNA-­Seq  data  of  the  developing  and  adult  synovial  joint,  we  will  harvest  and  incorporate  publicly  available  and  collaborator-­provided  scRNA-­Seq  data  of  other  lineages  to  make  a  generally  applicable  platform  for  assessing  cell  type  identity  at  the  single  cell  level  of  resolution,  and  we  will  make  the  resulting  methods,  software,  and  data freely available. Finally, we will use the system to determine the extent to which the  cell  types  and  compositions  of  directly  differentiating  mouse  ESCs  match  their  in  vivo  counterparts.