在器官發(fā)生和再生過程中，細胞的一種關鍵特征就是轉變命運并獲得新的身份，然而，人們對這種轉變的內在機制知之甚少。血管系統通過拮抗性轉錄程序在胚胎發(fā)生過程中分化成動脈和靜脈，從而提供一種理解這種轉變過程的生物學模型。這些拮抗性轉錄程序包括用于維持動脈的Notch信號和用于維持靜脈的COUP-TF（也被稱作NR2F2）。在胚胎發(fā)生過程中，心臟中的一部分冠狀動脈來源于被稱作靜脈竇（sinus venosus, SV）的靜脈。盡管在發(fā)育期間，靜脈能夠成為新動脈的來源，但是這種靜脈-動脈轉變的時間選擇和要求是不清楚的。

如今，在一項新的研究中，來自心血管醫(yī)學和生物工程領域的一組科學家開發(fā)出一種統計學測試方法，用于依據小鼠遺傳學中的單細胞RNA測序（scRNA-seq）數據對細胞亞群進行分類，并鑒定在心臟形成期間指導發(fā)育轉變的細胞群體。這項研究將針對靜脈竇的統計學分析、計算分析和生物學分析結合在一起，證實靜脈細胞逐漸地同時地將它們的命運由靜脈細胞向動脈細胞轉變，然后一部分細胞跨過轉錄閾值而進入前動脈細胞狀態(tài)。理解細胞命運如何在發(fā)育過程中轉變以及相關的抑制信號將有助于加深對組織生長和器官發(fā)生的了解，從而改善再生醫(yī)學中的組織工程策略。

在這項新的研究中，Tianying Su等人首先進行一種兩步統計學分析：先利用迭代穩(wěn)健主成分分析（iterative robust principal component analysis, rPCA），隨后利用成對離散性測試（pairwise discreteness test），鑒定前動脈內皮細胞亞型，比如靜脈竇冠狀動脈祖細胞（SV coronary progenitor, SVc）和靜脈竇瓣膜祖細胞（SV valve progenitor, SVv），并對它們進行歸類。這些結果通過計算模擬得到確認，并且在關系圖上得到呈現，以便鑒定出ApjCreER轉基因小鼠品系中的內皮細胞亞型的發(fā)育轉變。通過觀察連續(xù)的細胞群體中的基因表達變化，就可在高分辨率下研究細胞命運轉變。

這些研究人員隨后在胚胎第12.5天（embryonic day 12.5, E12.5）移除小鼠胚胎心臟中的經過譜系標記的內皮細胞，開展進一步的分析。統計學關聯與解剖關系是相一致的。值得注意的是，胚胎細胞在血液開始流動之前就顯示出向動脈命運的轉換，因而這些細胞就被稱為前動脈細胞（pre-artery cell）。

正如預測的那樣，免疫染色研究也支持胚胎細胞成熟和命運轉變。作為一種晚期胚胎階段特異性的間隙連接蛋白，連接蛋白（CX40）在E12.5早期出現，這就表明前動脈細胞作為心臟祖細胞在形成大部分成熟的冠狀動脈中發(fā)揮作用。在心臟形成期間血液開始流動之后發(fā)生的進一步結構變化被認為是由剪切應力（shear stress）造成的。

當將靜脈-動脈發(fā)育轉變投射到一個線性連續(xù)體上時，隨著細胞向前動脈命運轉變，單個靜脈細胞的身份逐漸喪失。這些結果表明，在達到靜脈身份喪失和動脈身份增加的閾值后，前動脈特化（pre-artery specification, 編者注：靜脈細胞轉變?yōu)榍皠用}細胞）就發(fā)生了；起初，靜脈身份的喪失是逐漸進行的，隨后動脈身份逐漸增加。

為了確定前動脈特化是動脈形成所必需的，這些研究人員通過在實驗室中阻斷這個過程進行了功能喪失研究。這能夠通過阻斷COUP-TF2加以實現，其中COUP-TF2是一種通常誘導靜脈命運（同時阻斷動脈命運）的調節(jié)因子。在動脈前特化發(fā)生之前誘導表達COUP-TF2就可阻止靜脈細胞形成冠狀動脈，這表明未能獲得前動脈細胞的命運。

這些數據證實當單個心臟祖細胞達到分化為前動脈細胞的閾值時，在血管生成期間的命運轉變逐漸地發(fā)生。前動脈細胞最終形成成熟的冠狀動脈。通過這種方式開展的基礎科學研究有助深入認識細胞命運轉變機制，并提供潛在的治療應用。未來的實驗可以研究血管生成過程中的心臟動脈分化，從而有助于開發(fā)再生療法。