A Synthetic Biology Platform for Engineering Sequential Lineage Bifurcations in Cells

Sammanfattning

Precisionskontroll av cellöde är ett viktigt mål inom regenerativ medicin, men det ärfortfarande utmanande eftersom differentiering styrs av dynamiska genregulatoriska nätverk (GRN) och epigenetiska begränsningar. Många nuvarande beräkningsmetoder modellerar cellödesövergångar som direkta enstegsomvandlingar och baseras främst på transkriptomiska samband, vilket begränsar deras förmåga att fånga utvecklingsmässiga förgreningar och kromatinberoende reglering. PreciCE, ett beräkningsramverk för precisionsstyrd cellödemanipulation, genererar prediktioner av genperturbationer för att styra celler från en identitet till en annan. Detta arbete fokuserar på att vidareutveckla PreciCE-ramverket för att bättre representera biologiska begränsningar i njurutveckling genom att integrera sekventiell utvecklingsmodellering och kromatininformerad regulatorisk inferens. Single-nucleus RNA-sekvensering och ATAC-sekvenseringsdata från njurorganoider analyserades för att studera övergångar mellan nascent mesoderm (NM), posterior intermediate mesoderm (PIM) och stromala (ST) celltillstånd. Den transkriptomiska analysen visade att NM och PIM är nära besläktade tillstånd som båda förekommer vid den tidigare tidpunkten, medan ST är mer distinkt. Sekventiell PreciCE-analys identifierade HOXD10 som en kandidatregulator för övergången från NM till PIM, medan TWIST1, ETS1 och MECOM föreslogs vara associerade med övergångar mot ST-fenotypen. Dessa resultat tyder på att njurdifferentiering drivs av successivt förändrade regulatoriska program snarare än av ett enskilt direkt skifte i cellidentitet. För att utvärdera kromatinkontextens roll genomfördes en jämförande analys av beräkningsmetoder för nätverksinferens baserade på scRNA-sekvensering (SCENIC) och scATAC-sekvensering (SCENIC+). SCENIC+ identifierade fler celltillståndsspecifika TF–målgenmoduler genom att integrera data om kromatinaccessibilitet, vilket gav en mer nyanserad bild av regulatorisk aktivitet än enbart uttrycksbaserad inferens. Sammantaget tyder resultaten på att en kombination av sekventiell modellering och kromatininformerad GRN-inferens ökar biologisk relevansen i perturbationsdesign. Detta arbete utgör en grund för merrealistiska beräkningsstrategier inom precisionsstyrd cellödesmanipulation.