一图看懂中国科学家如何用“魔法药水”制备干细胞

　　来源：科学大院微信公众号

　　“返老还童”是一个有魔力的词汇，几千年来，古今中外的人们都为之痴迷，但都未能如愿。如今，这个梦想在当代生物学家的实验室里成为了现实。



　　诱导多能干细胞：细胞重返婴儿状态

　　干细胞是具有无限增殖和多向分化潜能的细胞，有如初生的婴儿，充满生机和可塑性。所有的细胞都是由干细胞发育而来的，如果能将各种已经分化的细胞逆转成干细胞状态，变成“诱导多能干细胞（iPS cell）”，不就是“返老还童”吗？


干细胞可分化成不同类型的细胞（来源：网络）

　　现在，中国科学家开发了一套“魔法药水”，用它们为细胞“洗澡”，便能将多种体细胞类型变成干细胞！

　　中国科学院广州生物医药与健康研究院裴端卿研究员领衔的研究团队经过5年攻关，揭示了化学方法制备干细胞的科学原理，为诱导多能干细胞的研究和优化制备途径提供了全新的科学视角和解决方案。相关成果于2018年4月6日零时在线发表在国际干细胞权威杂志Cell Stem Cell（细胞?干细胞）上（阅读论文请点击“原文链接”）。



　　4月4日，裴端卿课题组的科研团队合影：（从左到右）李东伟、刘晶、裴端卿、曹尚涛、余胜勇（来源：中国科学院广州生物医药与健康研究院）

　　制备IPS，方法不止一个

　　诱导多能干细胞可以帮助人类了解细胞“变身”的奥秘，为科学界提供了一个窥探生命本质的窗口。多能干细胞还可以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。

　　为了把成体细胞逆转成干细胞，全球的科学家们开发了很多办法。

　　2012年诺贝尔生理或医学奖得主山中伸弥是诱导多功能干细胞技术创始人之一。2006年，他所在的研究团队发现了诱导小鼠细胞变身为胚胎干细胞的方法：通过病毒载体将4个基因导入小鼠成纤维细胞，进而使之转变为胚胎干细胞。此方法得到的干细胞可以避免免疫排斥问题，用以制备自体来源的各种组织和器官。这一方法被业界称为“山中伸弥方法”，导入的4个基因被称为“山中伸弥因子”，这一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，因此在全世界被广泛应用。


山中伸弥方法（来源：http://www.stemcells.uct.ac.za）

　　不过，“山中伸弥方法”是利用病毒载体进行基因运送，具有潜在的致癌隐患，对于以后的临床应用有较大风险。此后，各国科学家不断地开辟新方法。后来，科学家们利用化学小分子替代“山中伸弥因子”诱导出了多能干细胞，但存在步骤多、时间长、效率低、机理不清楚等缺点。

　　另辟蹊径，用 “魔法药水”给细胞 “洗澡”

　　裴端卿研究员领衔的科研团队经过5年的努力，开发出一套高效、简单的化学小分子诱导多能干细胞的方法， 简称为CIP（Chemical Induction of Pluripotency），即化合物诱导干细胞多能性。

　　该方案只需要用两种不同的“药水”依次给细胞“洗澡”，便可以将体细胞“返老还童”到干细胞的状态。这一方法比之前的方案简单、高效，所需的初始细胞量少。更重要的是，可以实现多种体细胞类型“返老还童”，包括在体外极难培养的肝细胞。



　　科学家正向细胞中加入“魔法药水”（来源：中国科学院广州生物医药与健康研究院）

　　这些神奇的“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呢？

　　在个体中，所有的细胞都拥有同样的染色质，为什么会形成形态各异、功能不同的各种细胞呢？原来，细胞在发生可识别的形态变化之前，就因受到约束而向特定方向分化，确定了其未来的发育命运。研究发现，细胞的命运受到细胞核内部的“信息中枢”染色质的状态控制。细胞染色质的开放（1）与关闭（0）状态总和，构成了决定细胞命运状态，这种情况就犹如计算机二进制的“密码串”，进而将细胞“锁”在了特定状态。


两步逆转细胞命运（来源：中国科学院广州生物医药与健康研究院）

　　科研团队进一步研究发现，在成体细胞的开放染色质位点周围，由AP-1及ETS等转录因子家族成员把守着，而在胚胎干细胞中，则由OCT，SOX 和KLF 等转录因子家族成员把守。如果将细胞中AP-1及ETS把守的染色质由开放到关闭，而OCT，SOX 和KLF把守的染色质由关闭到开放，就能将成体细胞逆转成干细胞！


在显微镜下观察细胞状态（来源：中国科学院广州生物医药与健康研究院）

　　该项研究正是采用药物来精细地调节细胞染色质“密码串”上的密码状态，首先采用一组药物将体细胞命运状态“解锁”，进而采用另一组药物将细胞命运驱动到多能干细胞状态，进而实现了细胞命运的“返老还童”。

　　细胞“青春期”+明星小分子

　　有趣的是，研究人员还发现了药物驱动细胞“返老还童”的“青春期”，即药物先驱动成体细胞返回到由GATA 和FOX转录因子家族成员看守的染色质中间态，然后再进一步返回到多能干细胞状态。该发现体现了药物驱动细胞“返老还童”在逆转程序上的特殊性和精巧性，为药物诱导细胞命运转变的应用研究提供了理论指导。


小分子Brdu

　　科学家还进一步对单个小分子药物“解锁”细胞染色质密码的机制进行了解密，发现了关键小分子Brdu。

　　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，从而推动细胞命运的逆转。该发现为开发更加高效、简单地用于细胞“返老还童”的小分子提供了突破口。

　　药物诱导干细胞新方向

　　由于没有引入外源基因，该方法操作简便、诱导过程条件均匀、所有成分明确、标准化，将为干细胞应用提供安全、高效的制备方法，具有广阔市场应用前景。与此同时，为开辟药物诱导细胞命运转变提供了新方向，将极大推动干细胞及再生医学的发展，服务于我国的医疗与卫生事业。

　　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，该研究方法与常规的诱导方法有显著区别，Brdu这一小分子直接整合入DNA，重塑染色质结构，从而改变基因表达，这是一个全新的机制。且本研究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。同时，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。更为重要的是，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的地位。

　　论文共同通讯作者为裴端卿研究员、刘晶研究员。广州生物院博士生曹尚涛、李东伟博士、余胜勇硕士为论文的共同第一作者。研究工作得到了国家重点研发项目、中科院、国家自然科学基金、广东省和广州市的经费支持。