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重编程:生物学的黑匣子

时刻: 2015年03月30日 | 作者: | 来历: 举世(www.22vfpn.com)
几十年来,家现已经过重编程技术,把成体细胞反转到胚胎状况,但这种改动是怎样发作的,却一向是个迷。

 

重编程,意即把已分解的细胞反转回胚胎状况,使其具有能够发育成全部细胞类型的特殊才干,卵子与精子结合构成胚胎的进程也能够被看作一种重编程。从20世纪60年代,英国家约翰· 戈登(John Gurdon)用蝌蚪的肠道细胞培育出一只的青蛙,到1996年,伊恩· 威尔穆特(Ian Wilmut)用成体哺乳动物的细胞发明了多莉羊,重编程的研讨现已走过了几十年的岁月。

 

2006年,研讨人员关于重编程的爱好敏捷上升,由于研讨证明,仅需转入4个基因,老练的小鼠细胞就能被重编程,变为诱导多能干细胞(iPS)。这种办法十分简略,简直全部的试验室都可测验,现在该范畴每年宣布的论文超越1 000篇。2014年,用多能细胞修正受损或患病安排的愿望现已部分变成了实践,iPS细胞分解出的视网膜细胞被移植到患有眼疾的女人体内,这是重编程细胞初次移植到人体内。 

 

可是,没人知道这是怎样发作的,连许多专门研讨重编程的家也解说不了。他们只知道,重编程就像生物学上的一个黑匣子,分解细胞从这头进去,多能干细胞就会从那头出来,这中心发作了什么却不得而知。日本京都大学iPS细胞研讨和使用中心的分子生物学家克努特· 沃尔特詹 (Knut Woltjen)标明:“咱们选用了许多研讨手法,但重编程依然令人感到困惑,咱们正在做一件十分复杂的事。” 

 

干细胞生物学家指出,问题之一在于,试验材料总是细胞的混合物,其间每一个细胞的分子状况都有少许不同。制作iPS细胞的进程一般功率低下,充溢变数:只要很小一部分细胞能够被彻底重编程,乃至这些重编程细胞之间还有着奇妙但重要的差异。更重要的是,在不同试验室中,重编程途径或许依据细胞的成长条件不同而改动,因而难以比照已知的试验成果。假如对细胞混合物的特征了解得不行,就将其用于临床则会引发安全上的忧虑。 

 

不过,最近呈现的新技术正在逐步翻开黑匣子。经过对单个细胞进行详尽的剖析、堆集具体的分子数据,生物学家正在探究重编程中发作的许多重要事情。最近,规划最大的重编程研讨国际合作方案——“雄伟方案”(Project Grandiose),发布了现在取得的发展。项目团队选用一系列试验,拍照了重编程每个阶段的高精度图画,发现了多能性的另一种状况。 “这是对细胞状况随时刻改动的初次高精度剖析,” 项目领导者、加拿大多伦多西奈山医院干细胞生物学家安德拉斯· 纳吉(Andras Nagy)以为,“毫不夸大地说,这是一项雄伟的作业”。

 

可是,要想进一步操控这一进程,垂手可得地得到医治性细胞,家还有许多作业要做。“不错,咱们能取得iPS细胞,也能使它们分解,但我以为,咱们还不能操控它们,”以色列魏茨曼研讨所的干细胞生物学家雅各布· 汉纳(Jacob Hanna)说,“为所欲为地操控细胞行为听上去很帅,但要抵达这个意图,咱们有必要获取许多材料,具体把握细胞的分子生物学特性。”

 

从核移植到iPS 

戈登和威尔穆特在重编程青蛙和绵羊的细胞时,选用的办法简直共同:把卵细胞的DNA剥离,植入已分解细胞的细胞核。家知道,卵细胞中的某些物质能使细胞核重编程,比方封闭与皮肤细胞相关的基因,而敞开那些与多能性相关的基因,从而触发一系列的分子事情。在接下来的十年中,研讨人员开发了各种新的重编程办法,例如向受精卵和胚胎干细胞植入细胞核,但这些办法都没能弄清楚,究竟是细胞中的什么成分启动了重编程,这个进程又是怎样作业的。 

 

2006年,日本京都大学的山中伸弥(Shinya Yamanaka)和高桥和利(Kazutoshi Takahashi)制作出了iPS细胞,改动了全部。他们发现,前期胚胎或胚胎干细胞中的4种蛋白,能够重编程成体细胞,这就为研讨人员供给了在培育皿中研讨重编程的要害东西。现在,干细胞生物学家坚信,引进这些被称作“山中因子”的蛋白后,细胞内会引发一阵剧烈的、可猜测的基因表达。可是,几天今后,细胞就会进入一个奥秘状况:细胞会一向割裂,但一向阻滞在这个状况。一周后,大约只要千分之一的细胞能成为真实的多能细胞。  

 

这个进程不行预知,咱们也不或许知道开端是哪些细胞被重编程,重编程为何需求较长时刻。不过,某些方面也是能够预见的。“在德国、日本和美国,研讨人员能够在相同的时刻以相同的速率取得iPS 细胞,”哈佛大学的亚历山大· 迈斯纳 (Alexander Meissner)指出,“咱们知道这不是戏法,而是一种机制,这是个好消息,咱们应该能找到它,”可是,现在发展不大,“简直令人绝望”。 

 

从细胞的视点来看,分解就像生物学上的“锁”,要反转彻底的分解状况是个巨大的应战。咱们以成纤维细胞为例,这种细胞来自皮肤的结缔安排,家常常用它们做重编程试验。成纤维细胞带有共同的身份印记——它们的DNA具有表观遗传学符号,比方甲基或组蛋白润饰(组蛋白与染色体结构密切相关)。由于有这些符号的存在,在正常的成纤维细胞中,只要与这类细胞相关的基因才干得以表达,不然皮肤细胞会像正在分解的干细胞,而这或许是癌症等疾病的病发途径。 

 

现在,家对引进“山中因子”这种强力要素之后的开端48小时十分感爱好。在胚胎干细胞中,这些蛋白会激活“多能性网络”中的基因,让干细胞坚持无限增殖的才干。可是,一旦被引进到成纤维细胞等老练细胞中,这些蛋白的效果办法又有不同。美国宾夕法尼亚大学的细胞生物学家肯· 扎雷特(Ken Zaret)把“山中因子”引进成纤维细胞后,在开端两天内盯梢观测了这些因子的方位。成果他发现,受阻于细胞染色体的结构,“山中因子”无法接触到方针基因。 

 

相反,这些蛋白会结合到染色体的其他区域。有时,它们会激活细胞的自杀基因;有时,它们会结合到名为“增强子”的、担任调控基因表达的区域上,增强与重编程进程相关的基因的表达。麻省理工学院的干细胞生物学家鲁道夫· 詹尼施(Rudolf Jaenisch)以为,“山中因子”与染色体的结合是“乱七八糟”的。 

 

也有研讨指出,在重编程的前期阶段,细胞的染色体也会发作全面改动。在2011年宣布的一项研讨中,迈斯纳的研讨小组发现,一种名为H3K4me2的组蛋白润饰在细胞基因组的1 000多个位点上发作了改动:这种润饰呈现在了“多能性基因”的多个位点上,而在成纤维细胞的特异性基因上,这种润饰消失了。与此一起,细胞的外观和行为特征也呈现不同:细胞之间更紧凑,移动较少。 

 

迈斯纳标明:“咱们开端的主意是,‘山中因子’会构成紊乱,但从咱们的研讨来看,重编程的第一阶段是能够预见的,并且在全部类型的细胞中是共同的。”现在,他简直能够预见某个细胞类型在重编程进程中,“哪些位点或许被激活,哪些或许被润饰,而哪些将坚持沉默,”他一起标明,“咱们能够猜测这部分。可是,这并不能答复接下来会发作什么”。 

 

第一阶段完毕之后,为期一周的阻滞阶段让家感到十分利诱。在这一阶段,细胞仍在发作改动,有的还会表达新基因,但这时的细胞行为很难猜测,也很难了解。乃至迈斯纳等人观测到的H3K4me2润饰,也要在这一阶段较晚的时分,才干增强基因的表达。“大多数细胞会进入部分重编程的状况。有些细胞则更挨近重编程状况,咱们还不清楚为什么会这样,”迈斯纳说,“这是一个‘黑匣子’”。可是,假如一个细胞开端组成SOX-2蛋白,便是一个好的痕迹。“一旦SOX-2呈现,重编程就进入正轨了,”詹尼施说(他研讨过细胞近50个基因在重编程进程中的活动)。几天之内,SOX-2蛋白等与多能性有关的转录因子产值就会敏捷上升。 

 

可是,这个进程为什么要花费如此长的时刻?功率又如此低呢?“咱们还不清楚为什么不能更快,” 沃尔特詹以为,一个细胞或许需求经过几回割裂,每次至少需求半响,以便改动DNA上的表观遗传符号。“或许,这是约束要素之一”。

 

关于低转化率,山中伸弥提出了几种或许的解说。一是,开端细胞包含各种类型,例如,研讨人员搜集的、用于提取成纤维细胞的安排,或许稠浊了许多互有纤细差异的细胞;而即使都是成纤维细胞,互相也不尽相同,它们的蛋白质和分子也各有差异。此外,在体外培育时,细胞状况也会时常发作改动。这意味着,重编程因子对每个细胞构成的影响都是不同的。“对一部分细胞有用,并不意味着对其他的也有用,”山中伸弥说。此外,细胞的培育基,细胞之间的相互效果都或许存在差异,这就使研讨人员难以操控全部变量。“要让细胞之间彻底同步是不或许的”。 

 

现在,研讨人员试图为完结了重编程的细胞分类,尽力完善重编程技术,弄清楚重编程是怎样发作的,从哪一个阶段发作的。沃尔特詹现已发现,4个重编程因子的组合份额,会影响iPS细胞的产出。比方,某种份额下,重编程的成功率或许比较高,但终究成果不甚抱负,细胞只进入了部分重编程的状况,且状况不稳定;而另一种份额尽管功率较低,得到的iPS细胞的质量却很高。 

 

“雄伟项目”的研讨也证明,不同的变量,会发生彻底不同的iPS细胞。在纳吉的推进下,“雄伟项目”建议于2010年,来自8个研讨机构的30名家参加了该项目,意图便是要翻开生物学上的这个“黑匣子”。纳吉说:“我想知道那里面有什么。”用山中因子触发重编程后,研讨人员在1个月里每天搜集1亿个细胞,然后定时剖析细胞的蛋白质、RNA、甲基化状况的改动等,然后将剖析发生的海量数据分发给世界各地的合作者。纳吉说,该项意图姓名就来历于项目规划,“当我意识到咱们现已搜集了多少信息之后,就想出了这个姓名。毫不夸大地说,这是一项雄伟的作业。”

 

翻开“黑匣子” 

最近的一个重要发现是一种新的多能干细胞,称为F级细胞(F-class cell),它们的外观毛烘烘的。研讨人员对重编程办法进行了微调,就发生了这些细胞:研讨人员并没有像之前那样,只在重编程开端后的前几天引进重编程因子,而是继续参加。“这就导致了不同的成果,”纳吉说。  

 

F级细胞与iPS细胞不同,由于前者未能经过最严厉的多能性测验之一:注射到小鼠胚胎后,它们不能由此发育成小鼠安排。出于这个原因,一些批评者说,F级细胞或许是其他家所说的“部分重编程”细胞。但纳吉以为,这类细胞没有发育成安排不代表它们没有多能性,由于它们具有其他多能性特征:例如,它们会构成畸胎瘤,而其间包含多种类型的细胞。 

 

纳吉指出,其他人都疏忽了F级状况,由于他们只是在寻觅相似于胚胎干细胞的细胞,而他的团队“在多能性这个问题上是无偏见的”。他以为,或许有更多的多能性状况会被发现,而他和搭档也会在海量数据中寻觅这些状况。“这在概念上是很重要的,它拓荒了另一扇大门”。 

 

这些研讨,让家在重编程的核心问题上争辩得越来越剧烈:重编程进程是否自身就有随机的、不行猜测的要素?直到最近,家才达到遍及的一致:重编程确实是随机的。依据该“随机”形式,重编程因子触发分子事情后,一些细胞将进入重编程状况,一些不会——后者的去向无法猜测。 

 

但在一些研讨,包含汉纳的一项研讨都标明,重编程办法能够调整,使这一进程愈加高效—— 这标明随机性能够操控乃至消除。这些研讨意味着,重编程能够从一个随机进程改动为确认性的进程。 

 

许多家说,现在重编程进程中既有确认性的阶段(开端和完毕),也有随机的阶段(中心奥秘的一周)。关于这种争辩,汉纳轻描淡写,在他看来重编程的随机性和确认性并没有矛盾。他把重编程比作掷硬币:每次掷硬币的成果都是随机的,但掷上100次,人像那面朝上的份额挨近50%。相似的,任何一个细胞进入重编状况都是随机的,但随着时刻的推移,重编程技术每次能发生的多能细胞将抵达一个确认的百分比(或许是10%)。扎雷特标明,进一步研讨将处理这些争辩,弄清楚是什么要素让细胞跳出一周的阻滞期。 

 

关于扎雷特而言,关于重编程的争辩引出了更重要的问题:引发随机性的生物学规矩是什么。“细胞体系自身是构建在一些‘固有噪音’和随机事情之上的,而这些要素会在必定程度大将细胞引向确认的命运方向。细胞的命运并没有由于随机事情而变来变去,”他说。这个问题是触及细胞类型的根底,这也吸引着他展开研讨。 

 

而关于其他人,比方山中伸弥,翻开“黑匣子”的意图很实践:更高效的重编程能使试验完结得更好,得到更牢靠的细胞来历,终究用于疾病医治。“我的研讨动机便是给患者看病,任何有助于推进iPS细胞进入临床的研讨都让我感到振奋。” 

 

本文作者 戴维·西拉诺斯基是《天然》驻我国上海的记者。

 

本文来自《举世》2015年第2期,转载请注明出处。

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