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，現已在實驗室成功實現。國際干細胞權威雜志《細胞·干細胞》近日在線發表了由中科院廣州生物醫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，若技術發展成熟，能用于再生新的組織和器官，為疾病治療和再生醫學提供“種子”細胞來源，前景無限。 如何將已經分化的成體細胞誘導到多能干細胞狀態，全球科學家們都在探索。 2012年諾貝爾生理學或醫學獎得主山中伸彌是誘導多能干細胞技術創始人之一。2007年，他的研究團隊通過病毒載體將四個基因導入小鼠成纖維細胞，進而使之轉變為胚胎干細胞，此方法誘導出的干細胞可轉變為心臟和神經細胞，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，并發明一種“藥水”，把細胞“泡一泡”，實現干細胞的“返老還童”呢？ 2011年12月，他和團隊發現了維生素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” “此技術有兩大創新：一是‘藥水’所有成分確定，各個藥物所發揮的作用清晰明了；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“解鎖”，后者將細胞命運驅動到多能干細胞狀態。 “化合物雞尾酒”成分的篩選十分關鍵。2011年，團隊研發出一個成分完全確定的培養體系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，團隊經過小規模的藥物篩選，成功替代了兩個山中伸彌因子，實現了單個山中伸彌因子誘導多能干細胞的技術突破。后續實驗室以及國內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。”他們結合前期的研究基礎，不斷反復實驗，同時借鑒國內外同行的研究成果，最終優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，連在體外極難培養的肝細胞，結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結構本身來調節染色質密碼狀態。”團隊成員發現Brdu可以直接整合入DNA，重塑染色質結構，進而改變了細胞的基因表達。這一全新的機制為開發更加高效、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方法。 發現重要細節 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育早期的多能干細胞狀態的？細胞浸泡過程中，團隊發現了一個極為重要的細節：細胞核的染色質處于打開和關閉狀態，這意味著細胞命運受到細胞核內部的“信息中樞”染色質的狀態控制。 劉晶介紹說，染色質猶如一根呈波浪形、串珠狀的繩子。染色質的開放與關閉的組合狀態總和，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。 團隊進一步發現，在成體細胞的開放染色質位點周圍，有AP—1及ETS等轉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由開放到關閉，而干細胞特異的染色質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”來調節細胞染色質“密碼串”上的密碼狀態，更重要的是，還找到了改變細胞命運的“密碼”機理。在此之前，全球對干細胞研究均缺乏理論支撐，研究有點像在“碰運氣”。 “整個基因組里面大概有15萬個位點在經歷開、關，我們把整個過程清楚描述出來，通過現象揭示本質。”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，后續還有很多機理探索。我們現正在進一步研究，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染色質結構，從而更加優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) |
