干細(xì)胞研究牛人Cell細(xì)胞重編程突破性發(fā)現(xiàn)

日期：2012-11-16 08:04:15

50年前，英國研究人員John Gurdon證實(shí)將來自非生殖細(xì)胞（體細(xì)胞）的遺傳物質(zhì)移入去核卵細(xì)胞中，可將細(xì)胞重編程至胚胎狀態(tài)。2006年，日本京都大學(xué)研究人員山中伸彌（Shinya Yamanaka）擴(kuò)展了這些研究結(jié)果，通過在小鼠體細(xì)胞中表達(dá)四種蛋白逆轉(zhuǎn)了它們的遺傳時鐘，將它們轉(zhuǎn)化成為了稱作誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）的胚胎樣干細(xì)胞。今年的10月初，Gurdon和Yamanaka因他們的研究發(fā)現(xiàn)獲得了2012年諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎。

現(xiàn)在由賓夕法尼亞大學(xué)Perelman醫(yī)學(xué)院的Kenneth Zaret博士領(lǐng)導(dǎo)的一個科學(xué)家小組開展了一些細(xì)致的檢測研究，更深入地了解了iPS細(xì)胞的形成機(jī)制，并找出了Yamanaka的重編程程序效率低下的原因。研究揭示了iPS細(xì)胞形成的一些細(xì)胞障礙，如果克服它們可以大大提高iPS細(xì)胞生成的效率和速度。相關(guān)論文發(fā)表在11月21日的《細(xì)胞》（Cell）雜志上。

現(xiàn)為賓夕法尼亞大學(xué)細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)教授、再生醫(yī)學(xué)研究所副主任的Zaret博士近年來將研究焦點(diǎn)集中在基因調(diào)控、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)以及發(fā)育和干細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域，取得了一系列突破性研究成果，在Science及Cell子刊上發(fā)表多篇研究論文。現(xiàn)擔(dān)任MCB雜志的編輯，并在多個研究院科技咨詢委員會、生物技術(shù)與制藥公司以及NIH任職。同時兼任美國國家醫(yī)學(xué)研究院(NIGMS)科學(xué)顧問委員會主席，美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）會員。

“這些研究提供了詳細(xì)的見解，重編程因子如何與分化細(xì)胞染色質(zhì)相互作用，啟動它們沿路向干細(xì)胞轉(zhuǎn)變，”國立普通醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所（該研究的部分資金由這一機(jī)構(gòu)提供）的Susan Haynes博士說。Zaret博士的研究還鑒別了染色質(zhì)中一個重要的結(jié)構(gòu)性障礙，重編程因子必須克服這一障礙才能結(jié)合DNA。這一知識將有助于提高重編程的效率，這對于未來的治療應(yīng)用非常重要。

在諸如皮膚細(xì)胞等人類體細(xì)胞中表達(dá)4種DNA結(jié)合蛋白Oct4、 Sox2、 Klf4和c-Myc (O, S, K, and M)可以生成人類iPS細(xì)胞。干細(xì)胞和醫(yī)學(xué)團(tuán)體對這些細(xì)胞抱有濃厚的興趣，不僅僅因?yàn)樗鼈兲峁┝伺咛ジ杉?xì)胞樣的前景，且繞開了倫理學(xué)和道德困境。同樣重要的是，來自遺傳疾病個體的患者特異性iPS細(xì)胞可以用于研究疾病的起源，開發(fā)針對亨廷頓氏病和帕金森氏病等多種疾病的治療藥物。

然而生成iPS細(xì)胞的程序效率非常的低下。它需要一個月的時間才能完全將體細(xì)胞重編程為iPS細(xì)胞，且將4個因子導(dǎo)入1000個細(xì)胞才只有1個細(xì)胞會成功發(fā)生轉(zhuǎn)化。更重要的是，一些研究表明iPS的可塑性與胚胎細(xì)胞并不完全相當(dāng)。Zaret與Perelman醫(yī)學(xué)院的博士后研究員Abdenour Soufi以及生物信息專家決定找出其原因。

目的地測定

研究小組分析了啟動iPS細(xì)胞重編程48小時后四個重編程因子在人類基因組中的目的地，比較了它們在起始細(xì)胞群、完全重編程iPS細(xì)胞、接近重編程過程末期的細(xì)胞（前iPS細(xì)胞）和胚胎干細(xì)胞這四種細(xì)胞類型中的位置。

他們發(fā)現(xiàn)在48小時時，重編程因子往往結(jié)合到了遠(yuǎn)離它們所調(diào)控的基因，稱作增強(qiáng)子的基因調(diào)控元件上，而非靶向基因自身。這表明O、S和K作為“先鋒因子”打開了DNA封閉的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而促進(jìn)了重編程過程。

研究小組還發(fā)現(xiàn)在48小時時基因組中有大量的區(qū)域重編程因子難于結(jié)合，但最終它們還是被激活，且實(shí)際上是iPS形成的必要條件。

Zaret解釋說：“基本上，人類基因組有一大塊完全抵制這些因子進(jìn)入。從而為我們提供了一些理解：你必須克服這一結(jié)合障礙讓這些因子到達(dá)最終的目的地。“

這些難接近的序列往往用一種稱作H3K9me3的組蛋白修飾進(jìn)行化學(xué)標(biāo)記。當(dāng)研究小組阻斷生成這種修飾的酶時，他們“顯著加速”了重編程過程。

Zaret說這些結(jié)果揭示了減慢和阻礙iPS細(xì)胞重編程過程的遺傳障礙，以及有可能是iPS細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞之間細(xì)微差異基礎(chǔ)的因子。他們還提出了解決這些問題的一種有潛力的方法——添加H3K9me3抑制劑。

研究結(jié)果還揭示細(xì)胞有可能利用了一條與細(xì)胞生物學(xué)完全不同的正常的細(xì)胞機(jī)制來抑制了基因區(qū)段。Zaret說：“進(jìn)入這一想法，我們將了解到逆轉(zhuǎn)至多能性機(jī)制的一些信息，最終我們會發(fā)現(xiàn)一些新途徑即細(xì)胞通過關(guān)閉基因組的某些部分來控制了基因表達(dá)。