细胞重新编程:开拓再生医学新天地

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所属分类:百科知识2009年

2008年12月18日美国《科学》杂志评出了本年度十大科学进展,细胞重新编程成为十大科学进展之首。之所以把细胞重新编程列为2008年十大科学进展之冠,是因为这一方式开辟了再生医学的新天地,研究人员可以绕过胚胎干细胞的伦理争论而直接让细胞重新编程,成为各种类型的干细胞,并可以生长为各种组织和器官,为再生医学奠定物质基础。

  

  细胞重新编程的历史

  

  细胞重新编程指的是分化的细胞在特定的条件下被逆转后恢复到全能分化的状态,或者形成胚胎干细胞系,或者进一步发育成一个新的个体。而在此之前的一项研究已经提示了这个领域的重大进展,即“诱导性多能干细胞”(又称干细胞样细胞),该研究曾被评为2007年十大科学进展的第二项。

  2007年11月20日美国威斯康星大学的詹姆斯·汤姆森等人在《科学》杂志发表研究成果,而日本京都大学教授山中伸弥领导的研究小组在《细胞》杂志发表研究成果,他们都以逆转录病毒为载体向人体皮肤细胞中植入4个基因(Oct4、Sox2、c-myc、K1f4),通过基因重新编码,使皮肤细胞具备胚胎干细胞的功能。而被改造过的细胞被称作“诱导性多能干细胞”。

  在把人的皮肤干细胞通过基因重新编程改造成干细胞之前,研究人员已经在小鼠身上获得了成功。2006年,山中伸弥等研究人员称,他们发现了一个能避开人体胚胎干细胞伦理限制而获得干细胞的方法。他们将4个基因导入在培养皿中生长的小鼠尾部细胞,得到了外表和功能与胚胎干细胞极其相似的新细胞,这就是诱导性多能干细胞。

  现在,研究人员通过插入4种基因,以回拨细胞发育时钟的方法,使细胞成为可以再分化生长的干细胞。而且,研究人员可以从不同疾病的患者身上提取皮肤细胞,将其重新编程为干细胞。这些干细胞在实验室里能生长并分裂,这既可以让研究人员理解疾病的过程,也是干细胞利用的新途径,因而在未来可以用患者自身细胞治疗疾病。

  在此之前的两个进展引人注目。一是研究人员用基因技术彻底去除了细胞的发育“记忆”,使其回到原始胚胎状态,然后重新生长成不同的细胞。也就是说,可以通过细胞再编程,让成年细胞重新回到胚胎状态,然后可以发育成各种所需的组织和器官。

  另一种方法更为先进。研究人员用活鼠做试验,让细胞直接从一种成体细胞变成另一种成体细胞,打破了细胞单向发育的规则。这种方法的先进之处在于直接,省去了让细胞重新编程变为干细胞的过程。

  

  很多细胞都可以重新编程

  

  2008年细胞重新编程的一个重要成果是对人类一种顽症——肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)的探索。美国哈佛大学的艾根研究小组和美国哥伦比亚大学的研究小组共同从患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症病人的皮肤中提取了致病细胞,对其进行基因改造,然后将改造后的细胞注入患者的大脑中,结果令人鼓舞。经过基因改造的细胞在人体内能够正常工作。

  肌萎缩性脊髓侧索硬化症又称路葛雷克氏症(俗称渐冻症),是一种运动神经细胞受损的疾病,患病后肌肉会逐渐萎缩,进而全身瘫痪并死于呼吸衰竭。研究人员是从两位患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症的姐妹身上提取的细胞,她们一人为83岁,另一人是82岁。由于这一疾病的遗传性,姐妹俩的祖先中有2%的人患有此种疾病。

  研究人员从这两位老人身上提取皮肤细胞后,加入4种基因将这些细胞转变回诱导性多能干细胞。研究人员用这4种基因来重新设定细胞程序,使其演变为诱导性多能干细胞状态的基因,这是细胞重新编程的第一步。然后,研究人员将来自其中一名病人的诱导性多能干细胞沉浸在多种信号分子中,设法使这些细胞成为看上去像是运动神经元的细胞,而运动神经元就是在肌萎缩性脊髓侧索硬化症中遭损害的细胞。

  这一做法的目的是,用诱导性多能干细胞来制造在遗传上与病人相匹配的健康细胞,并取代病变的细胞,这样不会产生排异反应。但是,在将这种方法安全地用于人身上之前,仍然有重大的障碍需要克服。而且,在实施中也可能有麻烦,例如,通过重新编程的细胞变成干细胞后是否会难以控制其生长。如果不能控制,就容易诱发癌症。

  此后,美国哈佛大学干细胞研究所的乔治·戴利等人与其他研究人员合作,创立了20个诱导性多能干细胞系,它们代表的是10种疾病,包括腺苷脱氨酶严重联合免疫缺陷症、Ⅲ型戈谢病、杜兴氏肌肉萎缩症、贝克肌肉萎缩症、唐氏综合征、帕金森病、青少年糖尿病、舒-戴二氏综合征、亨廷顿舞蹈病、莱施-奈恩二氏综合征(携带者)。

  对这些疾病建立诱导性多能干细胞(干细胞样细胞)也是利用细胞重新编程的方法,而这是建立疾病干细胞样细胞库的开始,有助于研究多种疾病。同时,哈佛大学的研究人员还承诺将免费向全世界的科学家提供疾病干细胞样细胞系资源。让一种细胞转化成另一种细胞

  进一步的研究还获得了细胞重新编程以获取干细胞的新认识,即再编程的目标并不一定要回到胚胎状态,而是可以让细胞直接变成另一种新的成体细胞。这就是利用基因重组技术,实现不同种类成体细胞之间的直接转化,也因此,这代表了再生医学的更为直接和先进的方向。

  哈佛大学医学院的周桥和波士顿儿童医院的道格拉斯·梅尔顿研究小组通过注射冷冻的普通腺病毒,把3种基因(Ngn3、Pdx1、Mafa)送入体内缺乏胰岛B细胞的病鼠胰腺内,结果鼠的胰腺内大约20%的外分泌细胞转化成胰岛B细胞。胰岛B细胞增加,分泌的胰岛素相应增多,病鼠体内过高的血糖水平降低,糖尿病病情便减轻。

  腺病毒携带的3种基因具备将普通细胞转化成胰岛B细胞的功能。胰岛B细胞数量稀少,如果受到破坏,就会引发I型糖尿病。而外分秘细胞在胰腺中较常见,大约占胰腺的95%。

  不过,尽管腺病毒作为载体比较安全,但研究人员还是希望找到避免使用病毒的方法,不把3种基因注入人体中,否则风险较大,也因此会招致美国相关管理部门的反对。

  利用细胞重新编程获得干细胞还有其他多种方法。例如,把胰腺中的成熟的胰腺细胞(又称外分泌细胞)再编程为胰岛B细胞,也可以采用引进4种基因的方法。美国麻萨诸塞州总医院癌症研究所和再生医学中心的马塞厄斯·斯达特费尔德研究小组用这样的方法也成功地让小鼠的胰腺外分泌细胞转化成胰岛B细胞。

  这种情况对旧有的医学现象和理论是一种颠覆,因为在生物体内,分化了的细胞几乎从来不改变发展方向,比如从肌细胞变成肺细胞。然而,这种细胞的直接再编程对治疗某些疾病来说比采用多能干细胞更简单、更安全。这项技术也许能使科学家们加快在实验室培养所需的细胞类型,用确定的因子把培养的一种细胞变成另一种细胞。安全的担忧和改进技术

  但是,细胞重新编程既然是改变细胞的一种方式,这也意味着会永久改变细胞DNA,造成安全隐患。因为,把外源性基因插入细胞的基因组中可能会改变现有的基因,例如防癌基因,导致细胞容易形成肿瘤。尽管插入的基因在重新编程结束后自动关闭,让细胞自身的基因接管,但研究人员仍然担心插入的基因会再激活或者对细胞产生其他微妙的影响。

  例如,引进4种基因(Oct4、Sox2、c-myc、K1f4)进行细胞重新编程的方法需要用4个独立的病毒,每个病毒对应1个重组基因,才能将基因转移到细胞的DNA中。而这些病毒可能会把这4个基因植入到细胞DNA中的任何部位,因此有可能引发致癌基因的表达,引起癌症。

  为了避免这种危险,研究人员正在尝试多种方法。例如,美国怀特海德生物医学研究所的研究人员尝试将4个重组基因串联起来,用一种病毒把它们植入成年实验鼠和人类细胞的基因组,结果显示这种方法能够表达所有4种重组基因,从而启动细胞重新编程。而这种在基因重组过程中把所需病毒的数目从4个减少到1个的方法能极大地简化诱导多能干细胞的生成,同时也增加了安全性。

  另一方面,日本的研究人员也发现,一种称为质粒的DNA环状体也可以将启动细胞重新编程的基因载入细胞。另外,腺病毒也是基因工程中常见的一种载体病毒,该病毒导致常见的感冒,但并不将自己插入细胞的基因组中。腺病毒的功能是,能长时间地表达插入的外源性基因,将细胞重新编程。但是随着细胞分裂,病毒被稀释到检测不到的水平,使重新编程后的细胞内原来的基因组保持不变。

  但是这些比较安全的插入外源性基因以启动细胞重新编程的方法在效率上似乎又较低。这也逼迫研究人员探索既安全又有效率的方法。如今,在大多数实验中,1万个细胞中能被成功重新编程的细胞少于1个。不过,美国加利福尼亚州和西班牙的两个研究小组发现一种叫做角质细胞的皮肤细胞特别容易重新编程。研究人员能把大约1%的角质细胞重新编程,整个过程只要10天,而其他细胞则需要好几个星期。毛囊是角质细胞的一个丰富来源,研究人员称,他们从人头上拔下的一根头发的细胞中获得了个性化的细胞系。而从头发获得细胞比切下一块皮肤要容易得多。

  最后的情况是,既然研究人员绕过胚胎干细胞而用多种方法获得各种干细胞,但现阶段还只是在实验室中可以让干细胞转变成特定的细胞和组织,例如让干细胞转变成有心博的心脏细胞。然而,这些细胞是否能融入病人的组织并替代或修复患病的细胞和组织,仍有很多技术和难关需要攻克。(文章代码:0203)

  

  责任编辑 张 田

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