Nature| 鄧宏魁團(tuán)隊(duì)發(fā)表重大研究成果——化學(xué)小分子誘導(dǎo)人成體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎酀撃芨杉?xì)胞
2022年4月13日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)聯(lián)合中心鄧宏魁研究團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊Nature雜志在線發(fā)表了題為“Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells”的研究論文，首次在國際上報(bào)道了使用化學(xué)小分子誘導(dǎo)人成體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎酀撃芨杉?xì)胞這一突破性研究成果。運(yùn)用化學(xué)小分子重編程細(xì)胞命運(yùn)（化學(xué)重編程），是繼“細(xì)胞核移植”和“轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)”之后新一代的，由我國自主研發(fā)的人多潛能干細(xì)胞制備技術(shù)，為我國干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展解決了底層技術(shù)上的“瓶頸”問題。
多潛能干細(xì)胞具有無限增殖的特性和分化成生物體所有功能細(xì)胞類型的能力，這些神奇的特質(zhì)使其在細(xì)胞治療、藥物篩選和疾病模型等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最為關(guān)鍵的“種子細(xì)胞”。在哺乳動(dòng)物自然發(fā)育過程中，多潛能干細(xì)胞只短暫存在于胚胎發(fā)育的早期階段，隨后便會(huì)分化為構(gòu)成生物體的各種類型的成體細(xì)胞，喪失其“種子細(xì)胞”的特性。如何逆轉(zhuǎn)這一自然發(fā)育過程，使高度分化的成體細(xì)胞重新獲得類似胚胎發(fā)育早期的多潛能狀態(tài)，一直是干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的科學(xué)問題之一。
上世紀(jì)60年代，英國科學(xué)家John Gurdon在爪蟾中開發(fā)了細(xì)胞核移植技術(shù)，1997年Ian Wilmut團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)制備了克隆羊多莉，證明了哺乳動(dòng)物高度分化的體細(xì)胞也可以被逆轉(zhuǎn)為早期胚胎的初始狀態(tài)，并獲得了發(fā)育為整個(gè)動(dòng)物個(gè)體的能力。2006年，日本科學(xué)家Shinya Yamanaka報(bào)道了使用轉(zhuǎn)基因的方式可以將小鼠成體細(xì)胞重編程為多潛能干細(xì)胞，稱為誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell，iPS細(xì)胞）。細(xì)胞核移植和導(dǎo)入外源基因的方法，證明了哺乳動(dòng)物體細(xì)胞可以通過重編程逆轉(zhuǎn)為胚胎發(fā)育早期狀態(tài)，重新獲得“多潛能性”。這兩項(xiàng)技術(shù)于2012年榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。iPS技術(shù)的建立，打破了傳統(tǒng)胚胎干細(xì)胞的倫理限制，為構(gòu)建病人自體特異性干細(xì)胞系提供了全新的方法，大大加速了干細(xì)胞臨床應(yīng)用的進(jìn)程。近年來，已開展了針對帕金森、糖尿病和癌癥等多種重點(diǎn)疾病的細(xì)胞治療臨床試驗(yàn)。然而，目前細(xì)胞治療的技術(shù)體系都是國外發(fā)展起來的，中國能否擁有原創(chuàng)的底層技術(shù)？
長期以來，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)一直致力于開發(fā)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的新方法和建立制備干細(xì)胞的底層技術(shù)。2013年，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)在Science雜志發(fā)表了一項(xiàng)原創(chuàng)性的研究成果，即不依賴卵母細(xì)胞和轉(zhuǎn)錄因子等細(xì)胞內(nèi)源物質(zhì)，僅使用外源性化學(xué)小分子就可以逆轉(zhuǎn)細(xì)胞命運(yùn)，將小鼠體細(xì)胞重編程為多潛能干細(xì)胞（chemically induced pluripotent stem cells, CiPS細(xì)胞）。相比傳統(tǒng)方法，化學(xué)小分子操作簡便靈活，時(shí)空調(diào)控性強(qiáng)、作用可逆，可以對細(xì)胞重編程過程進(jìn)行精確操控。另外小分子誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程技術(shù)作為非整合方法，規(guī)避了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因操作引發(fā)的安全問題，有望成為更安全的臨床治療手段。之后，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)又相繼在Cell和Cell Stem Cell等雜志發(fā)表文章，詳細(xì)闡明了化學(xué)重編程獨(dú)特的分子機(jī)理，并進(jìn)一步對小鼠化學(xué)重編程體系進(jìn)行了大幅優(yōu)化。隨后，包括謝欣、姚紅杰、裴端卿、劉林、祝賽勇等多個(gè)研究組利用相同或類似的化學(xué)小分子組合，重復(fù)和優(yōu)化了小鼠化學(xué)重編程技術(shù)?；瘜W(xué)重編程誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞的研究開辟了一條全新的體細(xì)胞重編程途徑，不僅有助于更好地理解細(xì)胞命運(yùn)決定和轉(zhuǎn)變機(jī)制，而且為未來再生醫(yī)學(xué)治療重大疾病帶來新的可能。
本次研究中，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了使用化學(xué)重編程的方法，成功實(shí)現(xiàn)了使用化學(xué)小分子將人成體細(xì)胞誘導(dǎo)為多潛能干細(xì)胞(人CiPS細(xì)胞)。這一技術(shù)的建立開辟了人多潛能干細(xì)胞制備的全新途徑，使其向臨床應(yīng)用，邁進(jìn)了關(guān)鍵一步。
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圖1：新一代誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞技術(shù)
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作為高等動(dòng)物，人類成體細(xì)胞特性和穩(wěn)態(tài)調(diào)控的復(fù)雜性遠(yuǎn)非小鼠成體細(xì)胞可比，在表觀遺傳層面上存在重重障礙，嚴(yán)重限制了在人類成體細(xì)胞中激發(fā)細(xì)胞可塑性的可能。自2013年以來，盡管眾多國際團(tuán)隊(duì)在小鼠化學(xué)重編程工作的啟發(fā)下進(jìn)行大量嘗試，卻一直未能解決人類成體細(xì)胞的化學(xué)重編程問題。這使得領(lǐng)域內(nèi)普遍認(rèn)為：人類成體細(xì)胞的表觀遺傳限制是極其嚴(yán)格的，很可能無法通過化學(xué)重編程激發(fā)人類成體細(xì)胞獲得多潛能性。鄧宏魁團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期地堅(jiān)持和不懈努力，突破了這一瓶頸。這一突破的關(guān)鍵步驟受低等動(dòng)物再生過程啟發(fā)。蠑螈等低等動(dòng)物在受到外界損傷后其體細(xì)胞會(huì)自發(fā)的改變本身的特性，進(jìn)而通過去分化獲得一定的可塑性，借助這一可塑的中間狀態(tài)實(shí)現(xiàn)肢體的再生。沿著這一思路，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量化學(xué)小分子的篩選和組合，最終發(fā)現(xiàn)高度分化的人成體細(xì)胞在特定的化學(xué)小分子組合的作用下，同樣可以發(fā)生類似去分化的現(xiàn)象，獲得具有一定可塑性的中間狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)最終實(shí)現(xiàn)了人CiPS細(xì)胞的成功誘導(dǎo)。
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圖2 人體細(xì)胞化學(xué)重編程誘導(dǎo)人CiPS細(xì)胞
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與傳統(tǒng)的技術(shù)體系相比，CiPS細(xì)胞誘導(dǎo)技術(shù)具有更加安全和簡單、易于標(biāo)準(zhǔn)化、易于調(diào)控等不可替代的優(yōu)勢，突破了iPS技術(shù)面臨的限制，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。1）安全性方面，之前在小鼠CiPS細(xì)胞中已經(jīng)證明，其攜帶的遺傳突變顯著少于傳統(tǒng) iPS 細(xì)胞，產(chǎn)生的嵌合體小鼠在長達(dá) 6個(gè)月的觀察期內(nèi)不產(chǎn)生腫瘤且全部健康存活。同時(shí)，人CiPS細(xì)胞分化來源的胰島細(xì)胞移植入小鼠和非人靈長類動(dòng)物模型體內(nèi)，經(jīng)過長期觀察未發(fā)現(xiàn)腫瘤形成；2）在個(gè)體化制備方面，研究團(tuán)隊(duì)目前已在不同年齡個(gè)體來源的體細(xì)胞類型上都可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定誘導(dǎo)人CiPS細(xì)胞；3）在細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)化制備方面，化學(xué)小分子具有操作簡單，時(shí)空調(diào)控性強(qiáng)，作用可逆，合成儲(chǔ)存方便，易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等一系列特點(diǎn)，使得人CiPS細(xì)胞在標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；a(chǎn)方面有著不可替代的優(yōu)勢。要特別指出的是，人CiPS細(xì)胞能高效制備胰島細(xì)胞，且安全有效地改善了糖尿病猴的血糖控制，凸顯了人CiPS細(xì)胞作為“種子細(xì)胞”治療重大疾病在安全性和有效性上的巨大優(yōu)勢。這一研究的主要結(jié)果于今年二月發(fā)表在醫(yī)學(xué)雜志Nature Medicine上。
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圖3：人CiPS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用前景
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在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還描繪了化學(xué)重編程誘導(dǎo)人CiPS細(xì)胞的分子路徑，揭示了化學(xué)重編程與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)錄因子重編程不同的分子機(jī)制和獨(dú)特的調(diào)控機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)人CiPS的誘導(dǎo)以分階段精確調(diào)控的方式發(fā)生，在早期階段產(chǎn)生了特殊的中間狀態(tài)。通過和低等動(dòng)物再生去分化過程中細(xì)胞性質(zhì)的詳細(xì)比較，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了人CiPS細(xì)胞誘導(dǎo)的早期階段激活了與低等動(dòng)物斷肢再生早期類似的基因表達(dá)特征。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了調(diào)控這一類再生狀態(tài)的關(guān)鍵信號通路，證明抑制過度的炎癥反應(yīng)，對于化學(xué)重編程誘導(dǎo)人體細(xì)胞重新獲得類再生中間態(tài)至關(guān)重要。這一再生中間態(tài)為研究人體細(xì)胞重新激活再生基因提供了全新的思路，并且提示將來有僅通過化學(xué)小分子組合重新激活人體細(xì)胞可塑性和再生潛能的可能性，有望推動(dòng)化學(xué)重編程在組織器官再生方向的應(yīng)用，為再生醫(yī)學(xué)研究提供新的可能途徑。
圖4. 化學(xué)重編程激活再生相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的分子機(jī)制
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近年來，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將化學(xué)重編程的策略拓展到了調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的不同方面應(yīng)用上。該團(tuán)隊(duì)利用化學(xué)小分子實(shí)現(xiàn)了不同體細(xì)胞類型間的轉(zhuǎn)變，直接將皮膚細(xì)胞重編程為功能神經(jīng)元（Cell Stem Cell, 2015；Cell Stem Cell, 2017）；建立了具有全能性功能特征的EPS細(xì)胞（Cell，2017）；解決了肝臟細(xì)胞功能體外難以長期維持的難題（Science, 2019），構(gòu)建了具有再生能力的新型類器官模型（Cell Research, 2021），實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)原位化學(xué)重編程（Cell Discovery, 2021）。這一系列工作體現(xiàn)了化學(xué)小分子調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的普適性。
綜上所述，化學(xué)重編程技術(shù)體系的建立不僅在多潛能干細(xì)胞臨床應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的意義和價(jià)值，同時(shí)為細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控及再生生物學(xué)理論研究方面提供了全新的視角和平臺?；瘜W(xué)重編程可以精確調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)，有望成為高效制備各種功能細(xì)胞類型的通用技術(shù)，為治療重大疾病開辟了新的途徑。
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)聯(lián)合中心鄧宏魁教授領(lǐng)導(dǎo)了此項(xiàng)研究。鄧宏魁教授，北京大學(xué)王金琳博士和中國人民解放軍總醫(yī)院盧實(shí)春教授是這一研究成果的共同通訊作者。北京大學(xué)關(guān)景洋，王冠，王金琳，張正元，傅瑤，成林，孟高帆，呂鈺麟為該研究成果的主要作者。北京大學(xué)李程教授為該研究的生物信息分析提供了重要指導(dǎo)。本工作獲得了生命科學(xué)聯(lián)合中心、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等支持。
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