Cell突破：諾獎之后，創(chuàng)新細(xì)胞重編程技術(shù)
日期：2012-10-26 07:46:34
2006年日本科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka）首次利用病毒載體將四個轉(zhuǎn)錄因子（Oct4，Sox2，Klf4和c-myc）的組合轉(zhuǎn)入分化的體細(xì)胞中，使其重編程而得到了類似胚胎干細(xì)胞的一種細(xì)胞類型——誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）。這一了不起的成果在本月早些時候被授予了諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎。
盡管近年來iPS技術(shù)不斷取得發(fā)展，各種改良技術(shù)時有出現(xiàn)。然而轉(zhuǎn)化效率低下一直都是科學(xué)家們頭疼的問題。成為了iPS臨床轉(zhuǎn)化的重要障礙之一。此外，由于基因插入可能導(dǎo)致細(xì)胞癌變，研究人員和臨床醫(yī)生對于推動這些細(xì)胞的潛在治療應(yīng)用也一直抱謹(jǐn)慎的態(tài)度。
現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員設(shè)計了一種高效安全的新方法，只需利用基因編碼的蛋白就可以生成誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。這一研究成果發(fā)布在10月26日的《細(xì)胞》（Cell）雜志上。
這并非是首次嘗試這樣的方法。許多研究人員曾證實(shí)利用蛋白質(zhì)來生成誘導(dǎo)多能干細(xì)胞雖然有可能實(shí)現(xiàn)，但效率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于病毒方法。斯坦福大學(xué)的研究人員能取得前所未有的成功歸因于一個意外的發(fā)現(xiàn)：最初方法中使用的病毒不僅僅對于基因傳遞至關(guān)重要。
斯坦福大學(xué)心血管研究所副所長和醫(yī)學(xué)教授John Cooke博士說：“過去一直認(rèn)為病毒僅僅是作為特洛伊木馬（Trojan horse）將基因傳遞到細(xì)胞中?，F(xiàn)在我們知道病毒可導(dǎo)致細(xì)胞松開染色體，使得DNA發(fā)生逆轉(zhuǎn)至多能狀態(tài)必需的改變。”
無需人類胚胎，iPS細(xì)胞為解決與干細(xì)胞研究相關(guān)的倫理道德困境提供了一個可能的替代方法。它們由機(jī)體內(nèi)承擔(dān)某一專門功能的成體細(xì)胞生成。在山中伸彌之前，人們認(rèn)為這些細(xì)胞絕不可能恢復(fù)為起源的多能干細(xì)胞。然而山中伸彌卻證實(shí)這些高度特化的細(xì)胞比之前認(rèn)為的具有更大的發(fā)育靈活性或可塑性。在存在四個基因的條件下，它們就可以呈現(xiàn)出胚胎干細(xì)胞的特征，在合適的條件下可以變成幾乎所有的細(xì)胞類型。
現(xiàn)在Cooke研究小組確定了這一轉(zhuǎn)變發(fā)生的一個重要的組件。Cooke說：“我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)胞暴露于一種病原體時，它會發(fā)生改變以適應(yīng)或抵御挑戰(zhàn)。這一先天免疫的一部分包括促進(jìn)了DNA的可接近性。這使得細(xì)胞能夠伸入它的遺傳工具箱中，取出生存所需的東西。”它也使得多能誘導(dǎo)蛋白能夠修飾DNA，將皮膚細(xì)胞或其他的特化細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N胚胎干細(xì)胞樣的細(xì)胞。
由于細(xì)胞激活了一種與存在病毒遺傳物質(zhì)時的炎癥相似的免疫反應(yīng)，研究人員將這一過程稱為“轉(zhuǎn)炎癥”（ transflammation）。他們認(rèn)為他們的研究發(fā)現(xiàn)有可能為在人類中使用iPS細(xì)胞，以及闡明多能性發(fā)生借助的生物學(xué)信號通路鋪平了道路。
Cooke和同事們一開始就致力于優(yōu)化利用細(xì)胞滲透性蛋白來重編程成體特化細(xì)胞變?yōu)槎嗄芨杉?xì)胞。他們知道蛋白質(zhì)進(jìn)入到了細(xì)胞的細(xì)胞核中，在實(shí)驗(yàn)室它們能夠結(jié)合正確的DNA序列。它們還能夠維持過去采用其他方法重編程細(xì)胞的多能性。那么為何這些蛋白遠(yuǎn)不如病毒方法有效呢？
當(dāng)研究人員將暴露于細(xì)胞滲透性蛋白的細(xì)胞的基因表達(dá)模式與負(fù)載基因的病毒感染的細(xì)胞進(jìn)行比較時獲得了突破：它們完全不同。Cooke想知道是否有可能病毒的某些特性對此負(fù)責(zé)。
研究人員利用細(xì)胞滲透性蛋白質(zhì)和一種無關(guān)病毒重復(fù)了這一試驗(yàn)。多能性轉(zhuǎn)化的效率顯著提高。進(jìn)一步的調(diào)查揭示這一效應(yīng)是由于細(xì)胞內(nèi)Toll樣受體3（Toll-like receptor 3）信號激活所致，利用小分子模擬這一病毒遺傳物質(zhì)觸發(fā)信號通路具有相似的效應(yīng)。
“這些蛋白質(zhì)是非整合性的，因此我們不必?fù)?dān)心病毒誘導(dǎo)對宿主基因組的損害，”Cooke說。此外他還指出利用細(xì)胞滲透性蛋白可以賦予對重編程過程更高水平的控制，有可能促成在人類治療中使用iPS細(xì)胞。
“現(xiàn)在我們知道當(dāng)受到病原體挑戰(zhàn)時細(xì)胞會呈現(xiàn)出更大的可塑性，理論上我們可以利用這一信息進(jìn)一步操縱細(xì)胞誘導(dǎo)直接重編程，”Cooke說。
直接重編程涉及將像皮膚細(xì)胞這樣的一種特化細(xì)胞誘導(dǎo)成為如內(nèi)皮細(xì)胞這樣的一種細(xì)胞分化類型，無需通過中間的多能狀態(tài)。斯坦福大學(xué)的研究人員Marius Wernig博士利用直接重編程成功地將人類皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榱斯δ苄缘纳窠?jīng)元。
