作者:叶青 黄博纯 来源:科技日报 发布时间:2018/4/17 10:26:27
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用化学小分子替代四个外源基因
“药浴”后,体细胞“返老还童”成干细胞

裴端卿团队找到用体细胞制备干细胞的“魔法药水”。

裴端卿研究员与同事在实验室

“这只是一个开始。未来可以根据所需的干细胞类型,设计特定药水,有目的性诱导出各种干细胞。”

用“魔法药水”为细胞“洗澡”两次,就可将体细胞变成干细胞,实现多种体细胞类型的“返老还童”。这种听起来像是科幻小说里的情节,现已在实验室成功实现。国际干细胞权威杂志《细胞·干细胞》近日在线发表了由中科院广州生物医药与健康研究院裴端卿研究员领衔团队的此项科研成果。

无需病毒载体 干细胞制备有了安全法宝

诱导多能干细胞“年轻力壮”,再生和分化能力非常强,若技术发展成熟,能用于再生新的组织和器官,为疾病治疗和再生医学提供“种子”细胞来源,前景无限。

如何将已经分化的成体细胞诱导到多能干细胞状态,全球科学家们都在探索。

2012年诺贝尔生理学或医学奖得主山中伸弥是诱导多能干细胞技术创始人之一。2007年,他的研究团队通过病毒载体将四个基因导入小鼠成纤维细胞,进而使之转变为胚胎干细胞,此方法诱导出的干细胞可转变为心脏和神经细胞,被称为“山中伸弥方法”,导入的四个基因被称为“山中伸弥因子”。此研究成果免除了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约,得以在全世界广泛应用。

2008年,裴端卿发表了一篇评论文章,指出该方法的不足之处。“此是利用病毒载体进行基因运送,具有潜在的致癌隐患,对以后临床应用有较大风险。”

他大胆提出设想,能否用小分子来替代4个基因,并发明一种“药水”,把细胞“泡一泡”,实现干细胞的“返老还童”呢?

2011年12月,他和团队发现了维生素C能够促进体细胞“变身”为诱导多能干细胞,之后,成功用维生素C替换掉毒性最大的一个因子。

这一次,裴端卿团队开发出用化学小分子诱导多能干细胞的方法,即化合物诱导干细胞多能性,突破了之前方法步骤多、时间长、效率低、机理不清楚等实验缺陷。

因没有引入外源基因,更简单、高效,所需的初始细胞量少,诱导过程条件均匀、标准化,新研究将为干细胞应用提供安全高效的制备方法,也为开辟药物诱导细胞命运转变提供了新方向。

全新诱导机制 “洗澡”两次细胞即可“变身”

“此技术有两大创新:一是‘药水’所有成分确定,各个药物所发挥的作用清晰明了;二是操作简单,培育细胞过程中无需分盘。” 论文另一通讯作者刘晶研究员说。

该方法的研究之门并非一推就开。用“魔法药水”为细胞“洗澡”过程中,需要依次使用两种不同的“化合物鸡尾酒”(即几种化合物混合调配所得的液体)分两阶段“泡”细胞。第一阶段用第一种浸泡约16—24天,第二阶段用第二种浸泡约10—15天。前者将体细胞命运状态“解锁”,后者将细胞命运驱动到多能干细胞状态。

“化合物鸡尾酒”成分的筛选十分关键。2011年,团队研发出一个成分完全确定的培养体系iCD1,可以非常高效地支持四因子或三因子(山中伸弥因子)诱导多能干细胞。以此为基础,团队经过小规模的药物筛选,成功替代了两个山中伸弥因子,实现了单个山中伸弥因子诱导多能干细胞的技术突破。后续实验室以及国内同行均对如何替代最后一个山中伸弥因子展开了大量的研究,并对几千种药物进行了筛选。

刘晶回忆道:“筛选过程没有机制可循,不知道哪一个有用,这是最为头疼的。”他们结合前期的研究基础,不断反复实验,同时借鉴国内外同行的研究成果,最终优化了一套能简单高效诱导多能干细胞的“魔法药水”。

研究还收获了一个意外惊喜,连在体外极难培养的肝细胞,结果也被成功诱导成多能干细胞。

他们还解释了一个关键小分子Brdu诱导多能干细胞的作用机制。“它是一个简单的核苷类似物,可以直接作用DNA结构本身来调节染色质密码状态。”团队成员发现Brdu可以直接整合入DNA,重塑染色质结构,进而改变了细胞的基因表达。这一全新的机制为开发更加高效、简单地用于细胞“返老还童”的小分子提供了突破口,且极大提高了诱导的效率,使化学诱导有望成为诱导多能干细胞的常规方法。

发现重要细节 找到改变细胞命运的“密码”机理

“魔法药水”是如何将成体细胞诱导到胚胎发育早期的多能干细胞状态的?细胞浸泡过程中,团队发现了一个极为重要的细节:细胞核的染色质处于打开和关闭状态,这意味着细胞命运受到细胞核内部的“信息中枢”染色质的状态控制。

刘晶介绍说,染色质犹如一根呈波浪形、串珠状的绳子。染色质的开放与关闭的组合状态总和,决定了细胞的命运。这种情况犹如计算机二进制的“密码串”,将细胞“锁”在了特定状态。

团队进一步发现,在成体细胞的开放染色质位点周围,有AP—1及ETS等转录因子家族成员看守着;在胚胎干细胞中,则有OCT、SOX和KLF等转录因子家族成员看守。细胞的“返老还童”就是成体细胞特异的染色质由开放到关闭,而干细胞特异的染色质则由关闭到开放的更替过程。

这让团队十分兴奋,他们不仅找到“化合物鸡尾酒”的“开关”来调节细胞染色质“密码串”上的密码状态,更重要的是,还找到了改变细胞命运的“密码”机理。在此之前,全球对干细胞研究均缺乏理论支撑,研究有点像在“碰运气”。

“整个基因组里面大概有15万个位点在经历开、关,我们把整个过程清楚描述出来,通过现象揭示本质。”裴端卿认为,“如果没有理论指导,很多干细胞的研究成果会被浪费掉。现在机理清楚了,意味着研究正慢慢走向理性化。”

“未来可以根据所需的干细胞类型,设计特定药水,有目的性诱导出各种干细胞。”裴端卿说,“这只是一个开始,后续还有很多机理探索。我们现正在进一步研究,大幅度缩短细胞‘浸泡’时间,提高效率。”

中科院上海药物研究所研究员、国家新药筛选中心副主任谢欣表示,这一机制可以指导科学家有目标地设计化合物小分子来改变染色质结构,从而更加优化化学诱导重编程体系。“中国科学家在化合物诱导多能干细胞的领域上互为补位,使我国在该领域处于世界领先地位。”

(本文图片由受访者提供)

 
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