打开重编程黑匣子 数十载干细胞研究入佳境

这在概念上很重要，它打开了一扇门。

照片来源:尼克·斯潘塞/自然

当精子和卵子结合成胚胎时，它们就是这样做的。约翰·格登在20世纪60年代也做了同样的事情，他用蝌蚪小肠细胞制造了基因相同的青蛙。伊恩·维尔穆特也做了同样的事情。1996年，他用一个成年哺乳动物细胞制作了多利羊。重编程——将分化的细胞恢复到胚胎状态——已经持续了很长时间。

自2006年以来，科学家对细胞重编程的兴趣迅速增加。他们发现成年小鼠细胞可以通过只引入4个基因来重新编程，从而产生所谓的诱导多能干细胞。该方法非常简单，几乎可以在所有实验室实施，科学家每年可以发表1000多篇相关论文。人们希望这种多能细胞可以用来修复受损或患病的组织。近年来，一些目标已经成为现实。科学家将来源于诱导多能干细胞的视网膜细胞移植到一名眼病患者体内。这是重新编程的细胞第一次被移植到人体内。

破译细胞重编程

但是没人知道它是怎么发生的。科学家知道分化细胞参与其中，多能细胞出现在另一端，但它们之间发生的事情是生物学中令人困惑的黑匣子。“这是一个令人困惑的过程。这非常复杂。”日本京都大学诱导多能干细胞研究和应用中心的分子生物学家克努特·沃尔琴说。

干细胞生物学家说，问题之一是他们从细胞混合物开始，每个分子都处于稍微不同的状态。目前的诱导多能性细胞制备过程非常低效且多变:最终只有少数部分可以完全重新编程，这些部分可能与其他部分略有不同，但却有很大不同。此外，由于不同的环境，例如细胞生长条件，重编程路径可能会改变。这使得很难比较实验结果，并且临床使用特征不充分的细胞也会增加潜在的安全危险。

但是新技术开始让这个过程变得更加清晰。通过对单个细胞的详细分析和大量详细分子数据的积累，生物学家正在识别细胞重编程过程中发生的主要事件。最近，最大的这样的项目，宏伟工程，宣布了它的结果。该项目团队使用了一系列的测试来对细胞重编程过程的每个阶段进行精确的比例快照，并揭示了多能性的替代条件的存在。“这是对细胞形态随时间变化的首次高分辨率分析。我可以毫不夸张地说，它是宏伟的。”加拿大多伦多西奈山医院的干细胞生物学家安朵斯·纳吉说，他是这个项目的负责人。

然而，如果科学家希望很好地控制这一过程并熟练地制备治疗细胞，还有很长的路要走。“是的，我们可以制造诱导多能性细胞，我们可以区分它们，但我认为我们无法控制它们。”以色列魏茨曼科学研究所的干细胞生物学家雅各布·汉纳说，“随意控制细胞行为很酷。此外，这样做的前提是要非常详细地了解它们的分子生物学特征。”

核移植

古尔登和威尔莫特通过将一个分化的细胞核移植到一个去除了脱氧核糖核酸的卵子中，对青蛙和绵羊细胞进行了重新编程。科学家已经知道，鸡蛋中的某些东西可以被重新编程为细胞核。例如，与皮肤细胞相关的基因将被切断，而与多能性相关的基因将被开启，从而引发一系列向下流动的事件。在接下来的10年里，研究人员开发了各种细胞重编程的新方法——给受精卵和胚胎干细胞添加细胞核，但这些方法未能回答细胞中有什么以及这个过程是如何工作的。

当京都大学的山中伸弥和高桥和子制备诱导多能干细胞时，情况发生了变化。他们发现，在早期胚胎或胚胎干细胞中只有四种蛋白质被表达，这些蛋白质可以被重新编程为成人细胞。此外，重要的是它们还提供了研究培养皿中重编程的工具。目前，干细胞生物学家确信，在引入这些蛋白质(有时称为山区因素)后，将会有一个强有力的和最可预测的基因表达。然而，几天后，这些细胞将进入一种神秘的状态。它们会有所区别，但会停滞不前，无法进一步重新编程。大约一周后，很少细胞(1/1000)会变成多能细胞。

这个过程是不可预测的，所以很难预测哪些细胞会在开始时被重新编程。但是有些方面是可以预测的。“来自德国、日本和美国的研究人员可能同时以同样的速度获得诱导多能干细胞。我们知道这不是魔法。这里有一个机制。这是个好消息，表明我们可以找到它。”哈佛大学的亚历山大·梅斯纳说。然而，迈斯纳也提到，这些年来进展甚微，“令人失望”。

从细胞角度来看，克服完全分化是一个巨大的挑战。例如，科学家经常从皮肤中提取成纤维细胞，并试图对它们重新编程。在一个漫长的过程中，他们获得了自己的特征，这些细胞的DNA被印上了“表观遗传”标记——添加甲基基团或改变化学修饰，如组蛋白。这些可以确保只有与成纤维细胞相关的基因才能表达。但是它们不能让皮肤细胞看起来像分化的干细胞，因为这可能是癌症等疾病的途径。

现在，科学家可以控制头48小时发生的事情。在胚胎干细胞中，山区因子可以激活“多能网络”中的基因，使细胞无限增殖。然而，当放置在分化细胞如成纤维细胞中时，这些因素的表现方式不同。宾夕法尼亚大学的细胞生物学家肯·扎雷特在人类成纤维细胞重编程的头两天绘制了这些因子的位置图。他发现它们被“物理阻断”，它们的染色体构象阻止它们到达传统的目标基因。

相反，这些蛋白质进入染色体的可及区域。有时，它们激活导致细胞自杀的基因。或者连接到一个叫做增强子的遥控区域——这将激活与重编程过程相关的基因。干细胞科学家鲁道夫·杰尼斯称这种山区因素的广泛结合是“混乱的”

研究人员现在正试图对一些细胞类型进行分类，将它们从黑匣子中取出，并试图修复重编程技术，以防止它们偏离路线。“大计划”还认为重编程过程的可变性产生了完全不同的细胞。该项目始于2010年，有来自8个研究机构的约30名资深科学家参与。纳吉打开黑匣子的愿望推动了这个项目。"我想知道黑盒里有什么。"他说。通过利用高山因子来触发细胞重编程，该团队在一个月内每天收集1亿个细胞，然后定期分析它们的蛋白质和核糖核酸产量以及甲基化状态的变化。

自愿

最大的发现是一种新型的多能细胞，称为F类细胞，它形成了一个看起来毛茸茸的群体。这些细胞可以通过稍微改变诱导多能干细胞制备的秘密配方来制造:与几天后停止表达重编程因子不同，研究人员继续提供这些因子。"这导致了分歧点."纳吉说。

F类细胞不同于诱导多能性细胞，因为它们在最严格的多能性测试中表现不佳:当注射到小鼠胚胎中时，它们不能促进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口中的“部分重编程”细胞。然而，纳吉指出，这些细胞具有其他多能特性，例如，它们可以形成包含一系列分化细胞类型的畸胎瘤。

纳吉说，其他人忽略了F级细胞，因为他们只寻找类似胚胎干细胞的细胞。他认为可能会发现更多的多能细胞状态。“这在概念上很重要。它打开了一扇门。”他说。

现在，许多科学家认为重编程过程包括两个明确的阶段——开始和结束，以及一个随机阶段，中间阶段的神秘一周。但是汉娜说，“我不认为有一个随机或明确的营地。”他把重组比作掷硬币:每次都会得到随机结果，但100次之后，每一面朝上的概率是50%。类似地，任何进入重编程状态的细胞都是随机的，但是随着时间的推移，通过重编程技术产生的多潜能细胞将达到一定的百分比(也许10%)。扎雷特说，进一步的研究将解决这些争议。

对Zaret来说，重写辩论打开了一扇更大概念的窗户:随机性触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的基础上."他说。山中伸弥和其他人试图打开黑匣子的兴趣是真实的。更有效的重编程将导致更好的实验和更可靠的细胞来源，最终将用于疾病治疗。“我研究的动机是治疗病人。任何能把诱导多能干细胞推向临床实践的东西都能吸引我。”他说。(张张)

中国科学新闻(2014-12-17第三版国际版)