《Communications Chemistry》：Simulation-guided chemical direct reprogramming informed by temporal cellular conversion processes at the single-cell level
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直接重编程（Direct Reprogramming, DR）指不经由诱导多能干细胞阶段，直接将体细胞转化为靶细胞以诱导分化的技术。相较于转录因子介导的直接重编程，小分子化合物诱导的直接重编程可降低致瘤风险，但仅通过实验筛选适用于直接重编程的小分子化合物仍具挑
直接重编程（Direct Reprogramming, DR）指不经由诱导多能干细胞阶段，直接将体细胞转化为靶细胞以诱导分化的技术。相较于转录因子介导的直接重编程，小分子化合物诱导的直接重编程可降低致瘤风险，但仅通过实验筛选适用于直接重编程的小分子化合物仍具挑战性。本研究提出一种名为SuperDIRECTEUR的计算方法来预测直接重编程所需的小分子化合物，该方法利用单细胞时序转录组数据开展预测。研究中通过计算各细胞的RNA速率模拟直接重编程过程中的细胞转化进程，将该进程划分为多个阶段（即起始期、未成熟期与成熟期），并采用模拟退火的一种变体搜索能够模拟直接重编程中阶段特异性基因表达模式的小分子组合。研究人员将SuperDIRECTEUR应用于小鼠胚胎成纤维细胞向诱导神经元的直接重编程小分子候选物鉴定，成功复现了经实验验证且与功能相关的小分子，这些小分子以时序阶段特异性方式诱导对应转化。预测得到的早期与晚期阶段小分子靶点蛋白分别显著富集于神经元分化与成熟相关的生物学通路。该研究方法在再生医学领域具有实际应用潜力。
本研究发表于《Communications Chemistry》，针对直接重编程技术转化应用的瓶颈问题开展系统性攻关。直接重编程通过将体细胞直接转化为靶细胞，避免了诱导多能干细胞阶段的基因组损伤风险，其中转录因子介导的策略依赖病毒载体过表达，仍存在致瘤隐患；小分子化合物诱导策略虽可规避该风险，但候选分子库庞大、体外筛选成本高昂，且现有计算方法多未整合重编程过程的动态时序特征，难以适配不同细胞类型的阶段特异性调控需求。为此，研究人员开发了SuperDIRECTEUR计算框架，首次实现单细胞水平动态模拟驱动的小分子精准预测，为再生医学的细胞来源制备提供了新方法。
研究采用的核心技术方法包括：基于小鼠胚胎成纤维细胞向诱导神经元转化的公开单细胞转录组队列（GSE67310），通过scVelo计算单细胞RNA速率以模拟细胞状态转化轨迹；采用余弦相似度划分重编程三阶段（起始期、未成熟期、成熟期），利用limma包识别阶段间差异表达基因并构建细胞转化特异性表达谱（Cellular Conversion-Specific Profile, CSP）；整合LINCS数据库的21,870种小分子扰动表达谱（Chemically Induced Profile, CIP），通过基因表达秩相似性（Gene Expression Rank Similarity, GRS）量化CSP与CIP的匹配度；设计融合阶段权重与表达一致性的直接重编程评分（DR Score），并改进模拟退火算法开展小分子组合优化；最终结合STRING数据库与DAVID工具开展靶点蛋白的功能富集与互作网络分析。
研究结果部分如下：
模拟直接重编程过程中的细胞转化进程：通过RNA速率动态模型可视化显示，细胞状态从起始期小鼠胚胎成纤维细胞向未成熟期、成熟期诱导神经元逐步转化，马尔可夫链模拟重复验证了该轨迹的稳定性。
各细胞转化过程的生物学解读：阶段特异性差异表达基因的功能富集显示，起始期至未成熟期转化显著富集转化生长因子-β信号通路（TGF-beta Signaling Pathway）、氧化磷酸化通路，未成熟期至成熟期转化显著富集丝裂原活化蛋白激酶信号通路（MAPK Signaling Pathway）、Hippo信号通路、轴突导向通路，与已报道的重编程调控机制一致。
小鼠胚胎成纤维细胞向诱导神经元转化的单个候选小分子：阶段特异性直接重编程评分排序显示，起始期至未成熟期候选小分子包含格尔德霉素、CHIR-99021、SB-203580等已验证重编程分子，以及迪纳西利布、曲安奈德等功能类似物；未成熟期至成熟期候选小分子包含曲格列酮、ZM336372等已验证分子，以及尼非地平、伏立诺他等功能类似物，Fisher精确检验证实已知重编程小分子显著富集。
小鼠胚胎成纤维细胞向诱导神经元转化的小分子组合：模拟退火优化得到起始期至未成熟期5小分子组合（含SB-431542等已知分子及抗炎类功能类似物），未成熟期至成熟期5小分子组合（含曲格列酮、ZM-336372等已知分子及尼非地平等功能类似物），两类组合均显示已知重编程小分子显著富集。
预测直接重编程小分子组合的生物学机制：靶点蛋白互作网络显示，起始期组合靶向花生四烯酸脂氧合酶家族、Bcl2及细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）家族，调控代谢转换、凋亡抑制与细胞周期阻滞；未成熟期组合靶向钙电压门控通道亚基、γ-氨基丁酸（GABA）受体亚基及MAPK通路组分，富集神经发生、血管生成等相关GO条目与通路，与神经元成熟调控机制吻合。
讨论部分指出，SuperDIRECTEUR的创新性在于首次利用重编程过程的单细胞动态转录组数据构建模拟轨迹，突破了既往方法仅依赖静态快照的局限，可灵活适配多阶段重编程的时序调控需求。研究进一步在心肌细胞重编程数据中验证了方法的普适性，未来可通过整合单细胞表观基因组数据进一步提升预测精度。研究结论表明，该方法可实现阶段特异性小分子组合的精准预测，为再生医学的细胞制备提供了高效低风险的化学重编程解决方案。
