用化學小分子替代四個外源基因：“藥浴”后，體細胞“返老還童”成干細胞 裴端卿團隊找到用體細胞制備干細胞的“魔法藥水”。  裴端卿研究員與同事在實驗室 本報記者 葉 青 通訊員 黃博純 “這只是一個開始。未來可以根據(jù)所需的干細胞類型，設計特定藥水，有目的性誘導出各種干細胞。” 用“魔法藥水”為細胞“洗澡”兩次，就可將體細胞變成干細胞，實現(xiàn)多種體細胞類型的“返老還童”。這種聽起來像是科幻小說里的情節(jié)，現(xiàn)已在實驗室成功實現(xiàn)。國際干細胞權威雜志《細胞·干細胞》近日在線發(fā)表了由中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院裴端卿研究員領銜團隊的此項科研成果。 無需病毒載體 干細胞制備有了安全法寶 誘導多能干細胞“年輕力壯”，再生和分化能力非常強，若技術發(fā)展成熟，能用于再生新的組織和器官，為疾病治療和再生醫(yī)學提供“種子”細胞來源，前景無限。 如何將已經(jīng)分化的成體細胞誘導到多能干細胞狀態(tài)，全球科學家們都在探索。 2012年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主山中伸彌是誘導多能干細胞技術創(chuàng)始人之一。2007年，他的研究團隊通過病毒載體將四個基因?qū)胄∈蟪衫w維細胞，進而使之轉(zhuǎn)變?yōu)榕咛ジ杉毎朔椒ㄕT導出的干細胞可轉(zhuǎn)變?yōu)樾呐K和神經(jīng)細胞，被稱為“山中伸彌方法”，導入的四個基因被稱為“山中伸彌因子”。此研究成果免除了使用人體胚胎提取干細胞的倫理道德制約，得以在全世界廣泛應用。 2008年，裴端卿發(fā)表了一篇評論文章，指出該方法的不足之處。“此是利用病毒載體進行基因運送，具有潛在的致癌隱患，對以后臨床應用有較大風險。” 他大膽提出設想，能否用小分子來替代4個基因，并發(fā)明一種“藥水”，把細胞“泡一泡”，實現(xiàn)干細胞的“返老還童”呢？ 2011年12月，他和團隊發(fā)現(xiàn)了維生素C能夠促進體細胞“變身”為誘導多能干細胞，之后，成功用維生素C替換掉毒性最大的一個因子。 這一次，裴端卿團隊開發(fā)出用化學小分子誘導多能干細胞的方法，即化合物誘導干細胞多能性，突破了之前方法步驟多、時間長、效率低、機理不清楚等實驗缺陷。 因沒有引入外源基因，更簡單、高效，所需的初始細胞量少，誘導過程條件均勻、標準化，新研究將為干細胞應用提供安全高效的制備方法，也為開辟藥物誘導細胞命運轉(zhuǎn)變提供了新方向。 全新誘導機制 “洗澡”兩次細胞即可“變身” “此技術有兩大創(chuàng)新：一是‘藥水’所有成分確定，各個藥物所發(fā)揮的作用清晰明了；二是操作簡單，培育細胞過程中無需分盤。” 論文另一通訊作者劉晶研究員說。 該方法的研究之門并非一推就開。用“魔法藥水”為細胞“洗澡”過程中，需要依次使用兩種不同的“化合物雞尾酒”（即幾種化合物混合調(diào)配所得的液體）分兩階段“泡”細胞。第一階段用第一種浸泡約16—24天，第二階段用第二種浸泡約10—15天。前者將體細胞命運狀態(tài)“解鎖”，后者將細胞命運驅(qū)動到多能干細胞狀態(tài)。 “化合物雞尾酒”成分的篩選十分關鍵。2011年，團隊研發(fā)出一個成分完全確定的培養(yǎng)體系iCD1，可以非常高效地支持四因子或三因子（山中伸彌因子）誘導多能干細胞。以此為基礎，團隊經(jīng)過小規(guī)模的藥物篩選，成功替代了兩個山中伸彌因子，實現(xiàn)了單個山中伸彌因子誘導多能干細胞的技術突破。后續(xù)實驗室以及國內(nèi)同行均對如何替代最后一個山中伸彌因子展開了大量的研究，并對幾千種藥物進行了篩選。 劉晶回憶道：“篩選過程沒有機制可循，不知道哪一個有用，這是最為頭疼的。”他們結(jié)合前期的研究基礎，不斷反復實驗，同時借鑒國內(nèi)外同行的研究成果，最終優(yōu)化了一套能簡單高效誘導多能干細胞的“魔法藥水”。 研究還收獲了一個意外驚喜，連在體外極難培養(yǎng)的肝細胞，結(jié)果也被成功誘導成多能干細胞。 他們還解釋了一個關鍵小分子Brdu誘導多能干細胞的作用機制。“它是一個簡單的核苷類似物，可以直接作用DNA結(jié)構本身來調(diào)節(jié)染色質(zhì)密碼狀態(tài)。”團隊成員發(fā)現(xiàn)Brdu可以直接整合入DNA，重塑染色質(zhì)結(jié)構，進而改變了細胞的基因表達。這一全新的機制為開發(fā)更加高效、簡單地用于細胞“返老還童”的小分子提供了突破口，且極大提高了誘導的效率，使化學誘導有望成為誘導多能干細胞的常規(guī)方法。 發(fā)現(xiàn)重要細節(jié) 找到改變細胞命運的“密碼”機理 “魔法藥水”是如何將成體細胞誘導到胚胎發(fā)育早期的多能干細胞狀態(tài)的？細胞浸泡過程中，團隊發(fā)現(xiàn)了一個極為重要的細節(jié)：細胞核的染色質(zhì)處于打開和關閉狀態(tài)，這意味著細胞命運受到細胞核內(nèi)部的“信息中樞”染色質(zhì)的狀態(tài)控制。 劉晶介紹說，染色質(zhì)猶如一根呈波浪形、串珠狀的繩子。染色質(zhì)的開放與關閉的組合狀態(tài)總和，決定了細胞的命運。這種情況猶如計算機二進制的“密碼串”，將細胞“鎖”在了特定狀態(tài)。 團隊進一步發(fā)現(xiàn)，在成體細胞的開放染色質(zhì)位點周圍，有AP—1及ETS等轉(zhuǎn)錄因子家族成員看守著；在胚胎干細胞中，則有OCT、SOX和KLF等轉(zhuǎn)錄因子家族成員看守。細胞的“返老還童”就是成體細胞特異的染色質(zhì)由開放到關閉，而干細胞特異的染色質(zhì)則由關閉到開放的更替過程。 這讓團隊十分興奮，他們不僅找到“化合物雞尾酒”的“開關”來調(diào)節(jié)細胞染色質(zhì)“密碼串”上的密碼狀態(tài)，更重要的是，還找到了改變細胞命運的“密碼”機理。在此之前，全球?qū)Ω杉毎芯烤狈碚撝危芯坑悬c像在“碰運氣”。 “整個基因組里面大概有15萬個位點在經(jīng)歷開、關，我們把整個過程清楚描述出來，通過現(xiàn)象揭示本質(zhì)。”裴端卿認為，“如果沒有理論指導，很多干細胞的研究成果會被浪費掉。現(xiàn)在機理清楚了，意味著研究正慢慢走向理性化。” “未來可以根據(jù)所需的干細胞類型，設計特定藥水，有目的性誘導出各種干細胞。”裴端卿說，“這只是一個開始，后續(xù)還有很多機理探索。我們現(xiàn)正在進一步研究，大幅度縮短細胞‘浸泡’時間，提高效率。” 中科院上海藥物研究所研究員、國家新藥篩選中心副主任謝欣表示，這一機制可以指導科學家有目標地設計化合物小分子來改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構，從而更加優(yōu)化化學誘導重編程體系。“中國科學家在化合物誘導多能干細胞的領域上互為補位，使我國在該領域處于世界領先地位。” （本文圖片由受訪者提供） (責任編輯：Doctor001) |
