作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2014/12/17 8:32:28
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打开重编程黑匣子 数十载干细胞研究入佳境

 

这在概念上是重要的,它打开了一扇大门。

图片来源:Nik Spencer/Nature

当精子和卵子结合成胚胎时,它们就在做这件事。John Gurdon在上世纪60年代也做到了这个,当时他使用蝌蚪小肠细胞制作出了从遗传角度而言完全相同的青蛙。Ian Wilmut也做到了。他在1996年使用一个成年哺乳动物细胞制作出了多利羊。重新编程——将分化的细胞恢复成胚胎状态——已经持续了很长时间。

2006年后,科学家对细胞重编的兴趣迅速上扬,他们发现仅通过引入4个基因就能改编成年老鼠细胞,产生所谓的诱导多能干(iPS)细胞。该方法十分简单,几乎所有实验室都能实现,并且科学家每年能发表1000多篇相关论文。人们希望这种多能细胞能被用于修复受损害或病变组织,近年来一些目标已经变为现实,科学家将衍生自iPS细胞的视网膜细胞移植到一位眼病患者身上,这是首次将重新编程的细胞移植到人体内。

破译细胞重编

但没有人知道它是如何发生的。科学家知道已分化细胞参与进来,多能细胞在另一端出现,但这之间发生了什么,是生物学上一个令人费解的黑匣子。“这是令人困惑的过程,它非常复杂。”日本京都大学iPS细胞研究和应用中心分子生物学家Knut Woltjen说。

干细胞生物学家表示,其中一个问题是,他们开始时使用一种细胞混合物,每个分子的状态略有不同。目前的iPS细胞制备过程十分低效和多变:只有很少的部分最终能完全重编,而且这些也可能与另一些有微小但重要的不同。此外,由于细胞生长条件等环境的不同可能会改变重编路径。这使得比较实验结果非常困难,而且将不充分特征化的细胞用于临床也会增加安全隐患。

但新技术正开始让这一过程变得清晰。通过进行单个细胞的细致分析和积累大量的详细分子数据,生物学家正在识别细胞重编过程中发生的重大事件。近日,规模最大的此类项目——“宏大计划”(Project Grandiose)公布了其成果。该项目团队使用一系列测验,拍摄下细胞重编过程每个阶段的精密尺度快照,并揭示出多能性存在可选择情况。“这是针对细胞形态随时间变化的首个高分辨率分析。我可以毫不夸张地说它是宏大的。”该项目负责人、加拿大多伦多市西奈山医院干细胞生物学家Andras Nagy说。

但如果科学家希望能很好地控制这一过程并熟练地制备治疗细胞,则还有很长的路要走。“是的,我们能制作iPS细胞,我们也能区分它们,但我认为,我们感到无法控制它们。”以色列魏茨曼科学研究学院干细胞生物学家Jacob Hanna说,“随意控制细胞行为非常酷。而且,做到这些的前提是非常详细地理解它们的分子生物学特性。”

细胞核移植

Gurdon和Wilmut在重编青蛙和羊的细胞时,分别通过将一个已分化的原子核移植到被剥去DNA的卵子内。科学家已经知道卵子中的一些东西能够重编原子核,例如,那些与皮肤细胞有关的基因将被切断,而与多能性有关的基因被开启,并触发一系列下降流事件。在接下来的10年里,研究人员开发出各种细胞重编新方法——向受精卵和胚胎干细胞中添加原子核,但这些方法无法解答是细胞中的什么进行了重编工作,并且该过程是如何工作的。

当京都大学的山中伸弥和Kazutoshi Takahashi制备iPS细胞时,情况发生了变化。他们发现,在能够重编为成体细胞的早期胚胎或胚胎干细胞里,只有4个蛋白质出现了表达。而且,重要的是,他们还提供了用于研究在培养皿中进行重编的工具。目前,干细胞生物学家确信在引入这些蛋白质(有时名为山中因子)后,会发生一阵强烈且大部分能预测的基因表达。不过,几天后,这些细胞会进入一个神秘状态,它们会分化,但出现失速,最终不能进一步重编。大约一周后,非常少的细胞(1/1000)会变成多能细胞。

这个过程不可预测,因此也难以在开始的时候就预知哪些细胞将会重编。但某些方面是可以预知的。“德国、日本和美国的研究人员可能会在同一时间、以相同的速率获得iPS细胞。我们知道这不是魔法,这里存在一个机制。这是好消息,说明我们能找到它。”美国哈佛大学的Alexander Meissner说。不过,Meissner也提到,多少年来几乎没有进展,“令人很失望”。

从细胞角度而言,克服完全分化状态是一个巨大挑战。例如,科学家经常从皮肤中提取纤维母细胞,并试着重编。在一个很长的过程中,它们获得了其特性,这些细胞的DNA被印上了“后生”标记——添加甲基原子团或改变组蛋白等化学修饰。这些能确保只有与纤维母细胞有关的基因能被表达。但他们无法让皮肤细胞像一个正在分化的干细胞,因为这可能是癌症等疾病的路径。

现在,科学家能很好地控制头48小时发生的事情。在胚胎干细胞里,山中因子能激活处于“多能性网络”的基因,它们能使细胞无限增殖。但当被放入纤维母细胞等分化细胞中时,这些因子的活动方式并不同。宾夕法尼亚大学细胞生物学家Ken Zaret绘制出了在人类纤维母细胞重编的最初两天里这些因子的位置图。他发现,它们被“物理封闭”,染色体构象阻止其到达常规目标基因。

相反,这些蛋白质会进入染色体可进入区域。有时,它们会激活促使细胞自杀的基因;或束缚在名为增强剂的遥控区域上——这会促使与重编过程相关的基因激活。干细胞科学家Rudolf Jaenisch将这种山中因子的广泛束缚称为“杂乱的”。

研究人员现在正试着分类一些细胞类型,让它们离开黑匣子,并努力修补重编技术,以便阻止它们偏离路线。“宏大计划”也认为,重编过程存在的可变性正在产生完全不同的细胞。该项目启动于2010年,8家研究机构的约30位资深科学家参与其中,Nagy的打开黑匣子愿望驱动了这个项目。“我希望找出黑匣子里面是什么。”他说。通过利用山中因子触发细胞重编,该团队在1个月里每天收集1亿个细胞,然后定期分析它们的蛋白质和RNA产量以及甲基化状态改变等。

自成一系

最大的发现是一类新型多能细胞,名为F级细胞,它们会形成外观毛茸茸的群落。略微改变iPS细胞制备秘方就能制出这些细胞:与在数日后停止表达重编因子不同,研究人员持续提供这类因子。“这就通向一个分歧点。”Nagy说。

F级细胞与iPS细胞不同,因为它们在多能性的一个最严格的测试中表现不合格:当被注入小鼠胚胎后,它们未能促成嵌合体老鼠组织的形成。因此,一些批评者认为,F级细胞可能是其他科学家口中的“部分重编”细胞。但Nagy指出,这些细胞拥有其他的多能特性,例如,它们能形成包含一系列分化细胞类型的畸胎瘤。

Nagy表示,其他人之所以忽略了F级细胞,是因为他们只是寻找与胚胎干细胞相似的细胞。他认为,可能会发现更多的多能细胞状态。“这在概念上是重要的,它打开了一扇大门。”他说。

现在,许多科学家认为,重编过程包含两个确定性阶段——开始和结束,以及一个随机阶段,即中间阶段的神秘一周。但Hanna表示,“我不认为存在随机或确定阵营。”他将重编比喻成抛硬币:每次都会得出随机结果,但100次后,各面向上的概率都为50%。类似的,任何一个细胞进入重编状态都是随机的,但随着时间的推移,重编技术每次能产生的多能细胞将到达一个确定的百分比(或许是10%)。Zaret表示,进一步研究将解决这些争论。

对于Zaret而言,重编争论打开了通向更大概念的窗户:随机性引发的生物学规则是什么。“细胞系统是建筑在固有噪音和随机事件之上的。”他说。而山中伸弥等人试图打开黑匣子的兴趣是实际的。更有效的重编将带来更好的实验和更可靠的细胞来源,并最终用于疾病治疗。“我研究的动机是治疗患者。任何能推动iPS细胞进入临床的东西都能吸引我。”他说。(张章)

《中国科学报》 (2014-12-17 第3版 国际)
 
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2014/12/18 15:50:24 grdegr
通过测量前后细胞变化后的微环境里,气体的成分差异来推导出参与分裂的物质属性?不同的地区同样的做.看看有无差异??时间重要,每个时段都有测,看看有些什么???
2014/12/17 13:20:00 liangbright
题目起的好,目前只是打开了黑匣子,怎么回事没有搞清楚
目前已有2条评论
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