北大鄧宏魁團隊直接從早期胚胎中捕獲全能干細(xì)胞，可在體外長期穩(wěn)定傳代，同圈點評：極具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價值
一個月內(nèi)，北京大學(xué)鄧宏魁教授團隊再發(fā)干細(xì)胞化學(xué)重編程重要進展。
日前，北京大學(xué)鄧宏魁等研究團隊在 Cell Research 上發(fā)表通過化學(xué)方式誘導(dǎo)小鼠二細(xì)胞胚胎分化成新型全能干細(xì)胞的最新論文。在研究中，他們通過小分子化學(xué)物構(gòu)建了一種可以培養(yǎng)新型全能干細(xì)胞的環(huán)境，這種培養(yǎng)條件能夠在體外支持小鼠二細(xì)胞胚胎以及擴展型多能干細(xì)胞（EPS 細(xì)胞）直接分化成全能干細(xì)胞系。研究人員把研究中小分子化合物分化出的這種新型全能干細(xì)胞稱之為全能潛能干細(xì)胞（totipotent potential stem cells, TPS 細(xì)胞）。據(jù)北京大學(xué)官方通稿介紹，這種全能干細(xì)胞能夠在體外長期穩(wěn)定培養(yǎng)，在分子特征和發(fā)育潛能上也與小鼠二細(xì)胞胚胎高度相似。研究人員進一步發(fā)現(xiàn) TPS 還可以在體外被誘導(dǎo)分化成類似于體內(nèi)囊胚的類囊胚結(jié)構(gòu)，而非單純的細(xì)胞團。這種方式為在體外完全捕獲全能干細(xì)胞提供一種新思路，同時也為在不同物種中維持全能干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)提供了可行的方式。本次研究由北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、生命聯(lián)合中心鄧宏魁教授，北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院徐君博士以及北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程博士共同完成。▲圖 | 從左到右分別是李程、鄧宏魁和徐君（來源：北京大學(xué)官網(wǎng)）“該研究從小鼠 2 細(xì)胞胚胎中直接獲得了全能性干細(xì)胞，而且采取化學(xué)小分子的組合在體外穩(wěn)定了這種瞬時的細(xì)胞狀態(tài)。這可以讓這種具有強大功能的細(xì)胞穩(wěn)定存在，同時也可以幫助學(xué)界更精準(zhǔn)地分析胚胎發(fā)育的機理。” 國內(nèi)干細(xì)胞療法新銳睿健醫(yī)藥創(chuàng)始人魏君博士告訴生輝。“本研究為體外研究細(xì)胞全能性調(diào)控的分子機制提供了新的模型。TPS 細(xì)胞可以高效的形成類囊胚結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的滋養(yǎng)層細(xì)胞更類似于著床前囊胚中的滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞，因此 TPS 細(xì)胞也是研究早期胚胎發(fā)育更合適的模型?！?nbsp;士澤生物創(chuàng)始人李翔博士說。據(jù)悉，在人體細(xì)胞上，鄧宏魁團隊也采取了沒有限制的手段，通過化合物將皮膚細(xì)胞等成體細(xì)胞高效的逆分化，這種化學(xué)重編程實際上實現(xiàn)了人工體外獲得全能干細(xì)胞。直接獲取全能干細(xì)胞難度猶在
長久以來，在干細(xì)胞領(lǐng)域內(nèi)存在這樣一個科學(xué)問題，即是否可以從早期胚胎中捕獲全能干細(xì)胞。全能干細(xì)胞的獲取大體可以分為直接獲取和工程轉(zhuǎn)化兩種方式。截止目前，在多種模式動物中還沒有通過直接獲取方式成功捕獲全能干細(xì)胞的數(shù)據(jù)報道，其中的一個很大難點就在于早期胚胎中雖然存在這種全能干細(xì)胞，但是這種細(xì)胞往往瞬時存在，難以在體外維持穩(wěn)態(tài)。國際上最接近的方法也是通過胚胎干細(xì)胞逆分化獲得全能干細(xì)胞，而不是采用直接獲取的方式。李翔告訴生輝，獲取全能干細(xì)胞的關(guān)鍵要點一方面在于如何誘導(dǎo)出和早期全能胚胎相似的全能干細(xì)胞；另一方面在于如何在體外維持全能干細(xì)胞。目前最主要的難點是如何在體外維持全能干細(xì)胞的自我更新。以小鼠為例，只有受精卵及 2 細(xì)胞胚胎具有全能性，隨后發(fā)育的囊胚細(xì)胞發(fā)育潛能受限，無法同時發(fā)育胚內(nèi)和胚外組織。此前，科研人員也發(fā)現(xiàn)小鼠多能干細(xì)胞群中存在少量二細(xì)胞樣細(xì)胞，這些細(xì)胞也具有 2 細(xì)胞胚胎的部分分子特征，但是仍然和體內(nèi)的 2 細(xì)胞胚胎存在差異，且無法在體外穩(wěn)定傳代。2017 年，鄧宏魁團隊利用一個新的小分子化合物組合 LCDM，在人和小鼠中構(gòu)建了一種擴展型多能干細(xì)胞（EPS 細(xì)胞）。這種細(xì)胞具有胚胎內(nèi)和胚胎外的發(fā)育潛能，同時也可以被誘導(dǎo)分化類囊胚。然而，EPS 細(xì)胞同樣與 2 細(xì)胞胚胎存在差異，胚外分化存在一定局限性。多年來，從早期胚胎或者多能干細(xì)胞中直接獲取全能干細(xì)胞還存在一定的挑戰(zhàn)。從早期胚胎中直接捕獲全能干細(xì)胞，可在體外長期穩(wěn)定傳代
鄧宏魁實驗室長期專注于細(xì)胞命運的重編程研究，多年來采用包括化學(xué)小分子誘導(dǎo)和調(diào)控細(xì)胞命運為代表性的方法學(xué)，取得了一系列關(guān)鍵突破。值得一提的是，半個多月前，該團隊首次在國際上報道使用化學(xué)小分子誘導(dǎo)人成體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎酀撃芨杉?xì)胞的案例。為了解決上述問題，他們同樣采用化學(xué)方式構(gòu)建分化全能干細(xì)胞的培養(yǎng)條件。在研究中，該團隊使用高通量篩選方法確定了一組小分子化合物組合即 CPEC 組合（CD1530，VPA，EPZ004777 和 CHIR 99021）可以在體外直接從 2 細(xì)胞胚胎中構(gòu)建全能干細(xì)胞，同時也能將 EPS 誘導(dǎo)分化為全能干細(xì)胞（TPS 細(xì)胞）。然后，研究人員進一步分析了 CPEC 組合制備的 TPS 細(xì)胞是否可以在體外穩(wěn)定傳代并保持全能特性。他們發(fā)現(xiàn)分化得到的 TPS 細(xì)胞能夠在體外長期穩(wěn)定傳代，研究也提示至少經(jīng)過 5 次傳代，TPS 細(xì)胞才能獲得穩(wěn)定的全能特征。▲圖 | 鑒定在體外誘導(dǎo)全能干細(xì)胞的化學(xué)混合物（來源：Cell Research）研究人員又從轉(zhuǎn)錄組、表觀遺傳特征、嵌合能力等方面進一步評估了 TPS 細(xì)胞的分子特征和分化發(fā)育潛能。研究指出，TPS 細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄組水平與 2 細(xì)胞胚胎高度相似，具備 2 細(xì)胞胚胎表觀修飾特征，以及單個 TPS 細(xì)胞具備同時向胚內(nèi)和胚外分化發(fā)育的潛力。TPS 細(xì)胞的全能性如何？魏君告訴生輝，評估全能性一般都會考察細(xì)胞向各胚層以及囊胚外滋養(yǎng)層的分化潛力，尤其是植入體內(nèi)后要能形成新的個體，這應(yīng)該是評估全能性的金標(biāo)準(zhǔn)。緊接著，他們評估了在 CPEC 條件下制備的 TPS 細(xì)胞的全能性，證明了通過調(diào)控早期胚胎發(fā)育的信號通路，可以誘導(dǎo) TPS 細(xì)胞分化成類囊胚結(jié)構(gòu)。“研究中的這種方式可以直接在體外進一步形成囊胚或者類囊胚的結(jié)構(gòu)，包括了胚胎本身和胚胎外滋養(yǎng)層，這比胚胎本身更為復(fù)雜。也就是說，TPS 細(xì)胞比單純的干細(xì)胞更先進，也從側(cè)面反映出 TPS 細(xì)胞的分化能力更強。更重要的一點是，TPS 細(xì)胞可以分化成一種結(jié)構(gòu)，而不是單純的細(xì)胞團。” 魏君說。不過，將 TPS 分化成的類囊胚結(jié)構(gòu)植入體內(nèi)后，雖然可以誘導(dǎo)蛻膜化反應(yīng)，但是仍無法像正常囊胚那樣發(fā)育成個體，這也表明誘導(dǎo)類囊胚的方案仍需優(yōu)化。指子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞 (ESC) 向蛻膜細(xì)胞的分化，是胚胎成功植入和胎盤形成的關(guān)鍵步驟。最后，研究人員探索了 CPEC 培養(yǎng)條件對 TPS 細(xì)胞全能性的調(diào)節(jié)機制。研究揭示，抑制 HDAC1/2 和 DOT1L 的活性以及特異性激活 RARγ 信號通路，對 TPS 細(xì)胞的誘導(dǎo)和穩(wěn)態(tài)維持具有重要作用。“具有極大產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價值”
論文指出，這項研究證明了從早期胚胎中提取全能干細(xì)胞的可行性，通過化學(xué)方式誘導(dǎo)分化的 TPS 細(xì)胞或為體外研究全能性調(diào)節(jié)機制以及早期植入前的胚胎發(fā)生提供了有力的工具。同時也可能為從包括人在內(nèi)的哺乳動物中捕獲全能干細(xì)胞提供了一種新途徑。目前，利用化學(xué)方式誘導(dǎo)的 TPS 細(xì)胞是在小鼠上成功實現(xiàn)，這一方式是否也可應(yīng)用于人體細(xì)胞？魏君認(rèn)為，這一方式有潛力應(yīng)用于人體細(xì)胞中。她指出，小鼠和人有類似的地方，但是在一些發(fā)育細(xì)節(jié)上有所不同，比如是 2 細(xì)胞期還是 8 細(xì)胞期。理論上講，類似的方法可以在人細(xì)胞上使用，但是細(xì)節(jié)上可能有不同，比如具體使用的小分子有差異。“這種方式可以為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供更多的重要信息，比如細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的維持。從目前來看，直接產(chǎn)業(yè)化也具有很大的價值，我第一時間就想到可用于保持頻危物種?！?nbsp;魏君對這種捕獲全能干細(xì)胞的方式信心滿滿。魏君告訴生輝，無論是從體細(xì)胞脫分化形成多能干細(xì)胞，還是從多能干細(xì)胞進一步脫分化轉(zhuǎn)化為全能干細(xì)胞，瞬時狀態(tài)細(xì)胞的捕獲和穩(wěn)態(tài)的維持都是研究的重點和難點。在人體生長發(fā)育的過程中，有很多瞬時存在的細(xì)胞類型，能夠把這類細(xì)胞的狀態(tài)穩(wěn)定維持下來并進行分析具有重大的意義。這對了解人類自己的生命過程會有極大的貢獻，同時也能夠為很多疾病的治療提供一些新的思路。“要弄清楚發(fā)育的系統(tǒng)問題，首先要明確發(fā)育過程中出現(xiàn)的細(xì)胞的種類，然后針對不同種類細(xì)胞的特征優(yōu)化特定細(xì)胞的維持方法，這是一個系統(tǒng)的工作。由于部分細(xì)胞僅瞬時存在，如果工作的第一步能夠明確發(fā)育過程中細(xì)胞的種類，后續(xù)也就能以推進和分析了。” 魏君說。李翔也認(rèn)為該研究具有一定的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力，不過他強調(diào)該研究真正應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)還需要進一步優(yōu)化?！笆紫?，在體外無限、快速的增殖能力是實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的重要考量因素，目前體外獲得全能干細(xì)胞的增殖能力可能還需要進一步優(yōu)化。此外，化學(xué)小分子誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞的均質(zhì)性可以進一步鑒定，如何獲得高純度、可自我更新的全能干細(xì)胞可能是下一步的優(yōu)化方向?！?/span>- https://www.nature.com/articles/s41422-022-00668-0
- https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(17)30183-6
- http://bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/16133.html
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