打开重编程黑匣子 数十载干细胞研究入佳境
时间:2017-12-07

  开放重编程黑盒数十载干细胞进入必杀技 - 新闻 - 科学网

  当精子和卵子变成胚胎时,他们正在做它。约翰·古尔顿(John Gurdon)在20世纪60年代做过同样的事情,那时他用小蝌蚪的小肠细胞来制造同样的基因相同的青蛙。 Ian Wilmut也是这么做的。他于1996年使用成年哺乳动物细胞制造多莉。将分化细胞重编程为胚胎状态已经进行了很长时间。

  2006年以后,科学家们正在迅速获得对细胞重编程的兴趣,他们发现成年小鼠细胞只能引入所谓的诱导性多能干(iPS)细胞,只引入四种基因。方法很简单,几乎所有实验室都可以实现,科学家每年可以发表1000多篇文章。希望这种多能细胞可以用来修复受损或有病的组织,近年来实现了一些目标。科学家已经将源自iPS细胞的视网膜细胞移植到眼部患者体内,并首次将重编程的细胞移植到人体内。

  解码单元重新编辑

  但没有人知道它是如何发生的。科学家们知道分化的细胞是参与其中的,而多能细胞则出现在另一端,但它们之间发生的是生物学中一个生物学上令人费解的黑盒子。这是一个令人困惑的过程,非常复杂。日本京都大学iPS细胞研究与应用中心的分子生物学家Knut Woltjen。

  干细胞生物学家说,其中一个问题是,他们从细胞的混合物开始,每个细胞的状态略有不同。目前的iPS细胞制备过程是非常低效和可变的:只有几个部分最终将被完全重新编程,这些也可能稍有不同,但是对其他人来说是重要的。另外,由于环境条件如细胞生长条件可能改变重编程。这使得实验结果的比较非常困难,并且未充分表征的细胞的使用也增加了潜在的安全危害。

  但是新技术开始使这个过程变得清晰。通过对单个细胞进行详细分析并积累大量详细的分子数据,生物学家正在确定细胞重编程过程中发生的主要事件。最近,最大的一个项目Grandiose公布了结果。项目团队使用一系列测试对细胞重编程过程的每个阶段进行了特写快照,并发现多能性是可选的。这是随着时间的推移首次对细胞形态进行高分辨率分析。可以毫不夸张地说,它是宏伟的。多伦多西奈山医院的项目负责人和干细胞生物学家Andras Nagy说。

  但是如果科学家希望能够很好地控制这个过程并且准备好细胞,还有很长的一段路要走。是的,我们可以制造iPS细胞,我们可以区分它们,但我认为我们觉得我们无法控制它们。以色列魏兹曼科学研究所(Weizmann Institute for Scientific Research)的干细胞生物学家雅各布·汉娜(Jacob Hanna)说,控制细胞是很酷的,而且这样做的前提是非常详细地了解它们的分子生物学。

  核转移

  Gurdon和Wilmut通过将分化的细胞核分别移植到脱氧核糖核酸蛋中,重新组织了青蛙和绵羊的细胞。科学家已经知道,蛋中的东西可以重新编程核。例如,涉及皮肤细胞的基因将被切断,而涉及多能性的基因被打开并引发一系列下降的流动事件。在接下来的10年中,研究人员开发了各种细胞重编程方法,将核添加到受精卵和胚胎干细胞中,但是这些方法无法回答什么是细胞内重编程以及过程是如何工作的。

  日本京都大学的Yamanaka Yamanaka和Kazutoshi Takahashi准备了iPS细胞。他们发现只有四种蛋白质出现在早期胚胎或胚胎干细胞中,可以重新编程为成体细胞。而且,重要的是,他们还提供了在培养皿中研究重新编程的工具。干细胞生物学家现在认为,在引入这些蛋白质后,会出现一个强大且基本可预测的基因表达,有时也称为山地因子。但是,几天之后,这些细胞进入了一个神秘的状态,它们会分裂,但是停滞不前,最终不能进一步重新编程。大约一周后,很少细胞(1/1000)变成多能细胞。

  这个过程是不可预测的,所以从一开始就很难预测哪些细胞将被重新编程。但有些方面是可以预测的。德国,日本和美国的研究人员可能同时以相同的速率获得iPS细胞。我们知道这不是魔术,这里有一个机制。这是一个好消息,我们可以找到它。哈佛大学的亚历山大·迈斯纳说。不过,迈斯纳还提到,多年来几乎没有任何进展,令人失望。

  从细胞的角度来看,克服完全分化的状态是一个巨大的挑战。例如,科学家经常从皮肤中提取成纤维细胞,并试图重新编程它。很长一段时间,他们获得了财产。这些细胞的DNA被印上表观遗传标记以添加甲基自由基或改变化学修饰,例如组蛋白。这确保了只有与成纤维细胞相关的基因才能被表达。但他们不能使皮肤细胞看起来像一个分化干细胞,因为这可能是癌症等疾病的途径。

  现在,科学家们能够很好地控制前48小时发生的事情。在胚胎干细胞中,山地酶激活多能性网络中的基因,使细胞无限增殖。然而,当置于分化的细胞如成纤维细胞中时,这些因子表现不同。宾夕法尼亚大学的细胞生物学家Ken Zaret在人类成纤维细胞重新编程的头两天绘制了这些因子的位置。他发现他们身体是封闭的,他们的染色体构象阻止他们到达他们的正常目标基因。

  相反,这些蛋白质进入染色体易接近的区域。有时他们激活导致细胞自杀的基因;或者他们被束缚在一个称为增强子的偏远地区,这种增强子可以促进与重编程过程相关的基因激活。干细胞科学家鲁道夫·加尼施(Rudolf Jaenisch)称这个山区因素凌乱不堪。

  研究人员现在试图对几种细胞类型进行分类,把它们从黑匣子中排除出来,并试图修补重编程技术,以阻止它们的出现。这个雄心勃勃的计划也认为,重编程过程中的变化正在产生截然不同的细胞。该项目于2010年开始,共有来自8个研究机构的约30名高级科学家参与。 Nagy打开黑匣子的愿望驱动了这个项目,我想知道黑匣子里面是什么,他说,使用山丘因子触发的细胞重编程,一个月内每天收集1亿个细胞,然后定期分析它们的蛋白质和RNA产量并改变甲基化状态。

  自一系列

  最大的发现是一类新的多能细胞,称为F类细胞,形成毛茸茸的外观。这些细胞可以通过略微改变用于iPS细胞制备的配方来制备:研究人员不再停止在几天后表达重编程因子,而是继续提供这些类型的因子。这导致了一个不同意见。纳吉说。

  F类细胞与iPS细胞不同,因为它们不能在多能性的最严格测试之一中进行:当注射到小鼠胚胎中时,它们不能促成嵌合小鼠组织的形成。因此,一些批评家认为,F类细胞可能是其他科学家重编程细胞的一部分。但纳吉指出,这些细胞具有其他多能性,例如,它们可以形成含有一定范围的分化细胞类型的畸胎瘤。

  纳吉说,其他人忽视了F级细胞,因为他们只是在寻找类似于胚胎干细胞的细胞。他相信可能会找到更多的多能细胞。这在概念上是重要的,因为它打开了大门。他说。

  现在,许多科学家认为,重编程过程涉及两个确定性阶段的开始和结束,以及一个随机阶段,这个阶段是中间阶段的神秘阶段。但汉娜说我不认为有一个随机的或最终的阵营。他将被重新洗牌成硬币:每次都有一次随机结果,但是经过100次后,每张脸的概率高达50%。同样,任何进入重编程状态的细胞都是随机的,但随着时间的推移,重编程将在每次产生时达到多能细胞的限定百分比(可能为10%)。 Zaret说进一步的研究将解决这些争议。

  对于Zaret来说,重组辩论打开了一个更大概念的窗口:随机引发的生物学规则是什么?蜂窝系统建立在固有噪声和随机事件之上。他说。而山中伸弥等人试图打开黑匣子的兴趣是真实的,更有效的重编程将会导致更好的实验和更可靠的细胞来源,并最终导致疾病治疗,我的研究动机是治疗病人,任何可以推动iPS细胞进入诊所可以吸引我。他说。(Zhang Zhang)

  “中国科学”(2014-12-17第3版国际)