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重編程:生物學(xué)的黑匣子 已有1人參與
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幾十年來(lái),科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)重編程技術(shù),把成體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)到胚胎狀態(tài),但這種轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的,卻一直是個(gè)迷。 重編程,意即把已分化的細(xì)胞逆轉(zhuǎn)回胚胎狀態(tài),使其擁有可以發(fā)育成所有細(xì)胞類型的非凡能力,卵子與精子結(jié)合形成胚胎的過(guò)程也可以被看作一種重編程。從20世紀(jì)60年代,英國(guó)科學(xué)家約翰· 戈登(John Gurdon)用蝌蚪的腸道細(xì)胞培育出一只的青蛙,到1996年,伊恩· 威爾穆特(Ian Wilmut)用成體哺乳動(dòng)物的細(xì)胞創(chuàng)造了多莉羊,重編程的研究已經(jīng)走過(guò)了幾十年的光陰。 2006年,研究人員對(duì)于重編程的興趣迅速上升,因?yàn)檠芯孔C明,僅需轉(zhuǎn)入4個(gè)基因,成熟的小鼠細(xì)胞就能被重編程,變?yōu)檎T導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)。這種方法非常簡(jiǎn)單,幾乎所有的實(shí)驗(yàn)室都可嘗試,現(xiàn)在該領(lǐng)域每年發(fā)表的論文超過(guò)1 000篇。2014年,用多能細(xì)胞修復(fù)受損或患病組織的夢(mèng)想已經(jīng)部分變成了現(xiàn)實(shí),iPS細(xì)胞分化出的視網(wǎng)膜細(xì)胞被移植到患有眼疾的女性體內(nèi),這是重編程細(xì)胞首次移植到人體內(nèi)。 但是,沒(méi)人知道這是怎么發(fā)生的,連許多專門(mén)研究重編程的科學(xué)家也解釋不了。他們只知道,重編程就像生物學(xué)上的一個(gè)黑匣子,分化細(xì)胞從這頭進(jìn)去,多能干細(xì)胞就會(huì)從那頭出來(lái),這中間發(fā)生了什么卻不得而知。日本京都大學(xué)iPS細(xì)胞研究和應(yīng)用中心的分子生物學(xué)家克努特· 沃爾特詹 (Knut Woltjen)表示:“我們采用了許多研究手段,但重編程仍然令人感到困惑,我們正在做一件非常復(fù)雜的事。” 干細(xì)胞生物學(xué)家指出,問(wèn)題之一在于,實(shí)驗(yàn)材料總是細(xì)胞的混合物,其中每一個(gè)細(xì)胞的分子狀態(tài)都有些許不同。制造iPS細(xì)胞的過(guò)程通常效率低下,充滿變數(shù):只有很小一部分細(xì)胞能夠被完全重編程,甚至這些重編程細(xì)胞之間還有著微妙但重要的區(qū)別。更重要的是,在不同實(shí)驗(yàn)室中,重編程路徑可能根據(jù)細(xì)胞的生長(zhǎng)條件不同而變化,因此難以對(duì)比已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果對(duì)細(xì)胞混合物的特征了解得不夠,就將其用于臨床則會(huì)引發(fā)安全上的擔(dān)憂。 不過(guò),最近出現(xiàn)的新技術(shù)正在逐漸打開(kāi)黑匣子。通過(guò)對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行細(xì)致的分析、積累詳細(xì)的分子數(shù)據(jù),生物學(xué)家正在探索重編程中發(fā)生的許多重要事件。最近,規(guī)模最大的重編程研究國(guó)際合作計(jì)劃——“宏偉計(jì)劃”(Project Grandiose),公布了目前取得的進(jìn)展。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用一系列實(shí)驗(yàn),拍攝了重編程每個(gè)階段的高精度圖像,發(fā)現(xiàn)了多能性的另一種狀態(tài)。 “這是對(duì)細(xì)胞狀態(tài)隨時(shí)間變化的首次高精度分析,” 項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)者、加拿大多倫多西奈山醫(yī)院干細(xì)胞生物學(xué)家安德拉斯· 納吉(Andras Nagy)認(rèn)為,“毫不夸張地說(shuō),這是一項(xiàng)宏偉的事業(yè)”。 但是,要想進(jìn)一步操控這一過(guò)程,輕而易舉地得到治療性細(xì)胞,科學(xué)家還有很多工作要做!安诲e(cuò),我們能獲得iPS細(xì)胞,也能使它們分化,但我認(rèn)為,我們還不能控制它們,”以色列魏茨曼科學(xué)研究所的干細(xì)胞生物學(xué)家雅各布· 漢納(Jacob Hanna)說(shuō),“隨心所欲地控制細(xì)胞行為聽(tīng)上去很酷,但要達(dá)到這個(gè)目的,我們必須獲取大量資料,詳細(xì)掌握細(xì)胞的分子生物學(xué)特性! 從核移植到iPS 戈登和威爾穆特在重編程青蛙和綿羊的細(xì)胞時(shí),采用的方法幾乎一致:把卵細(xì)胞的DNA剝離,植入已分化細(xì)胞的細(xì)胞核?茖W(xué)家知道,卵細(xì)胞中的某些物質(zhì)能使細(xì)胞核重編程,比如關(guān)閉與皮膚細(xì)胞相關(guān)的基因,而開(kāi)啟那些與多能性相關(guān)的基因,進(jìn)而觸發(fā)一系列的分子事件。在接下來(lái)的十年中,研究人員開(kāi)發(fā)了各種新的重編程方式,例如向受精卵和胚胎干細(xì)胞植入細(xì)胞核,但這些方法都沒(méi)能弄清楚,究竟是細(xì)胞中的什么成分啟動(dòng)了重編程,這個(gè)過(guò)程又是如何工作的。 2006年,日本京都大學(xué)的山中伸彌(Shinya Yamanaka)和高橋和利(Kazutoshi Takahashi)制造出了iPS細(xì)胞,改變了一切。他們發(fā)現(xiàn),早期胚胎或胚胎干細(xì)胞中的4種蛋白,可以重編程成體細(xì)胞,這就為研究人員提供了在培養(yǎng)皿中研究重編程的關(guān)鍵工具,F(xiàn)在,干細(xì)胞生物學(xué)家確信,引入這些被稱作“山中因子”的蛋白后,細(xì)胞內(nèi)會(huì)引發(fā)一陣強(qiáng)烈的、可預(yù)測(cè)的基因表達(dá)。然而,幾天以后,細(xì)胞就會(huì)進(jìn)入一個(gè)神秘狀態(tài):細(xì)胞會(huì)一直分裂,但一直停滯在這個(gè)狀態(tài)。一周后,大概只有千分之一的細(xì)胞能成為真正的多能細(xì)胞。 這個(gè)過(guò)程不可預(yù)知,我們也不可能知道最初是哪些細(xì)胞被重編程,重編程為何需要較長(zhǎng)時(shí)間。不過(guò),某些方面也是可以預(yù)見(jiàn)的!霸诘聡(guó)、日本和美國(guó),研究人員可以在同樣的時(shí)間以相同的速率獲得iPS 細(xì)胞,”哈佛大學(xué)的亞歷山大· 邁斯納 (Alexander Meissner)指出,“我們知道這不是魔術(shù),而是一種機(jī)制,這是個(gè)好消息,我們應(yīng)該能找到它,”可是,目前進(jìn)展不大,“幾乎令人失望”。 從細(xì)胞的角度來(lái)看,分化就像生物學(xué)上的“鎖”,要逆轉(zhuǎn)完全的分化狀態(tài)是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。我們以成纖維細(xì)胞為例,這種細(xì)胞來(lái)自皮膚的結(jié)締組織,科學(xué)家經(jīng)常用它們做重編程試驗(yàn)。成纖維細(xì)胞帶有獨(dú)特的身份印記——它們的DNA具有表觀遺傳學(xué)標(biāo)記,比如甲基或組蛋白修飾(組蛋白與染色體結(jié)構(gòu)密切相關(guān))。因?yàn)橛羞@些標(biāo)記的存在,在正常的成纖維細(xì)胞中,只有與這類細(xì)胞相關(guān)的基因才能得以表達(dá),否則皮膚細(xì)胞會(huì)像正在分化的干細(xì)胞,而這可能是癌癥等疾病的病發(fā)途徑。 現(xiàn)在,科學(xué)家對(duì)引入“山中因子”這種強(qiáng)力因素之后的最初48小時(shí)非常感興趣。在胚胎干細(xì)胞中,這些蛋白會(huì)激活“多能性網(wǎng)絡(luò)”中的基因,讓干細(xì)胞保持無(wú)限增殖的能力。但是,一旦被引入到成纖維細(xì)胞等成熟細(xì)胞中,這些蛋白的作用方式又有不同。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的細(xì)胞生物學(xué)家肯· 扎雷特(Ken Zaret)把“山中因子”引入成纖維細(xì)胞后,在最初兩天內(nèi)跟蹤觀測(cè)了這些因子的位置。結(jié)果他發(fā)現(xiàn),受阻于細(xì)胞染色體的結(jié)構(gòu),“山中因子”無(wú)法接觸到目標(biāo)基因。 相反,這些蛋白會(huì)結(jié)合到染色體的其他區(qū)域。有時(shí),它們會(huì)激活細(xì)胞的自殺基因;有時(shí),它們會(huì)結(jié)合到名為“增強(qiáng)子”的、負(fù)責(zé)調(diào)控基因表達(dá)的區(qū)域上,增強(qiáng)與重編程過(guò)程相關(guān)的基因的表達(dá)。麻省理工學(xué)院的干細(xì)胞生物學(xué)家魯?shù)婪颉?詹尼施(Rudolf Jaenisch)認(rèn)為,“山中因子”與染色體的結(jié)合是“雜亂無(wú)章”的。 也有研究指出,在重編程的早期階段,細(xì)胞的染色體也會(huì)發(fā)生全面變化。在2011年發(fā)表的一項(xiàng)研究中,邁斯納的研究小組發(fā)現(xiàn),一種名為H3K4me2的組蛋白修飾在細(xì)胞基因組的1 000多個(gè)位點(diǎn)上發(fā)生了變化:這種修飾出現(xiàn)在了“多能性基因”的多個(gè)位點(diǎn)上,而在成纖維細(xì)胞的特異性基因上,這種修飾消失了。與此同時(shí),細(xì)胞的外觀和行為特征也出現(xiàn)不同:細(xì)胞之間更緊湊,移動(dòng)較少。 邁斯納表示:“我們最初的想法是,‘山中因子’會(huì)造成混亂,但從我們的研究來(lái)看,重編程的第一階段是可以預(yù)見(jiàn)的,而且在所有類型的細(xì)胞中是一致的!爆F(xiàn)在,他幾乎可以預(yù)見(jiàn)某個(gè)細(xì)胞類型在重編程過(guò)程中,“哪些位點(diǎn)可能被激活,哪些可能被修飾,而哪些將保持沉默,”他同時(shí)表示,“我們可以預(yù)測(cè)這部分。但是,這并不能回答接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么”。 第一階段結(jié)束之后,為期一周的停滯階段讓科學(xué)家感到非常迷惑。在這一階段,細(xì)胞仍在發(fā)生變化,有的還會(huì)表達(dá)新基因,但這時(shí)的細(xì)胞行為很難預(yù)測(cè),也很難理解。甚至邁斯納等人觀測(cè)到的H3K4me2修飾,也要在這一階段較晚的時(shí)候,才能增強(qiáng)基因的表達(dá)!按蠖鄶(shù)細(xì)胞會(huì)進(jìn)入部分重編程的狀態(tài)。有些細(xì)胞則更接近重編程狀態(tài),我們還不清楚為什么會(huì)這樣,”邁斯納說(shuō),“這是一個(gè)‘黑匣子’”。然而,如果一個(gè)細(xì)胞開(kāi)始合成SOX-2蛋白,就是一個(gè)好的跡象!耙坏㏒OX-2出現(xiàn),重編程就進(jìn)入正軌了,”詹尼施說(shuō)(他研究過(guò)細(xì)胞近50個(gè)基因在重編程過(guò)程中的活動(dòng))。幾天之內(nèi),SOX-2蛋白等與多能性有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)量就會(huì)迅速上升。 但是,這個(gè)過(guò)程為什么要花費(fèi)如此長(zhǎng)的時(shí)間?效率又如此低呢?“我們還不清楚為什么不能更快,” 沃爾特詹認(rèn)為,一個(gè)細(xì)胞可能需要經(jīng)過(guò)幾次分裂,每次至少需要半天,以便改變DNA上的表觀遺傳標(biāo)記!耙苍S,這是限制因素之一”。 關(guān)于低轉(zhuǎn)化率,山中伸彌提出了幾種可能的解釋。一是,起始細(xì)胞包含各種類型,例如,研究人員采集的、用于提取成纖維細(xì)胞的組織,可能混雜了很多互有細(xì)微差異的細(xì)胞;而即便都是成纖維細(xì)胞,彼此也不盡相同,它們的蛋白質(zhì)和分子也各有差異。此外,在體外培養(yǎng)時(shí),細(xì)胞狀態(tài)也會(huì)時(shí)常發(fā)生變化。這意味著,重編程因子對(duì)每個(gè)細(xì)胞造成的影響都是不同的。“對(duì)一部分細(xì)胞有效,并不意味著對(duì)其他的也有效,”山中伸彌說(shuō)。此外,細(xì)胞的培養(yǎng)基,細(xì)胞之間的相互作用都可能存在差異,這就使研究人員難以控制所有變量!耙尲(xì)胞之間完全同步是不可能的”。 目前,研究人員試圖為完成了重編程的細(xì)胞分類,努力完善重編程技術(shù),弄清楚重編程是怎么發(fā)生的,從哪一個(gè)階段發(fā)生的。沃爾特詹已經(jīng)發(fā)現(xiàn),4個(gè)重編程因子的組合比例,會(huì)影響iPS細(xì)胞的產(chǎn)出。比如,某種比例下,重編程的成功率可能比較高,但最終結(jié)果不甚理想,細(xì)胞只進(jìn)入了部分重編程的狀態(tài),且狀態(tài)不穩(wěn)定;而另一種比例雖然效率較低,得到的iPS細(xì)胞的質(zhì)量卻很高。 “宏偉項(xiàng)目”的研究也證明,不同的變量,會(huì)產(chǎn)生完全不同的iPS細(xì)胞。在納吉的推動(dòng)下,“宏偉項(xiàng)目”發(fā)起于2010年,來(lái)自8個(gè)研究機(jī)構(gòu)的30名科學(xué)家參加了該項(xiàng)目,目的就是要打開(kāi)生物學(xué)上的這個(gè)“黑匣子”。納吉說(shuō):“我想知道那里面有什么!庇蒙街幸蜃佑|發(fā)重編程后,研究人員在1個(gè)月里每天收集1億個(gè)細(xì)胞,然后定期分析細(xì)胞的蛋白質(zhì)、RNA、甲基化狀態(tài)的改變等,然后將分析產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)分發(fā)給世界各地的合作者。納吉說(shuō),該項(xiàng)目的名字就來(lái)源于項(xiàng)目規(guī)模,“當(dāng)我意識(shí)到我們已經(jīng)收集了多少信息之后,就想出了這個(gè)名字。毫不夸張地說(shuō),這是一項(xiàng)宏偉的事業(yè)! 打開(kāi)“黑匣子” 最近的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是一種新的多能干細(xì)胞,稱為F級(jí)細(xì)胞(F-class cell),它們的外觀毛茸茸的。研究人員對(duì)重編程方法進(jìn)行了微調(diào),就產(chǎn)生了這些細(xì)胞:研究人員并沒(méi)有像之前那樣,只在重編程開(kāi)始后的前幾天引入重編程因子,而是持續(xù)加入!斑@就導(dǎo)致了不同的結(jié)果,”納吉說(shuō)。 F級(jí)細(xì)胞與iPS細(xì)胞不同,因?yàn)榍罢呶茨芡ㄟ^(guò)最嚴(yán)格的多能性測(cè)試之一:注射到小鼠胚胎后,它們不能由此發(fā)育成小鼠組織。出于這個(gè)原因,一些批評(píng)者說(shuō),F(xiàn)級(jí)細(xì)胞可能是其他科學(xué)家所說(shuō)的“部分重編程”細(xì)胞。但納吉認(rèn)為,這類細(xì)胞沒(méi)有發(fā)育成組織不代表它們沒(méi)有多能性,因?yàn)樗鼈儞碛衅渌嗄苄蕴卣鳎豪,它們?huì)形成畸胎瘤,而其中包含多種類型的細(xì)胞。 納吉指出,其他人都忽略了F級(jí)狀態(tài),因?yàn)樗麄冎皇窃趯ふ翌愃朴谂咛ジ杉?xì)胞的細(xì)胞,而他的團(tuán)隊(duì)“在多能性這個(gè)問(wèn)題上是無(wú)偏見(jiàn)的”。他認(rèn)為,可能有更多的多能性狀態(tài)會(huì)被發(fā)現(xiàn),而他和同事也會(huì)在海量數(shù)據(jù)中尋找這些狀態(tài)!斑@在概念上是很重要的,它開(kāi)辟了另一扇大門(mén)”。 這些研究,讓科學(xué)家在重編程的核心問(wèn)題上爭(zhēng)論得越來(lái)越激烈:重編程過(guò)程是否本身就有隨機(jī)的、不可預(yù)測(cè)的因素?直到最近,科學(xué)家才達(dá)成普遍的共識(shí):重編程確實(shí)是隨機(jī)的。根據(jù)該“隨機(jī)”模式,重編程因子觸發(fā)分子事件后,一些細(xì)胞將進(jìn)入重編程狀態(tài),一些不會(huì)——后者的去向無(wú)法預(yù)測(cè)。 但在一些研究,包括漢納的一項(xiàng)研究都表明,重編程方法可以調(diào)整,使這一過(guò)程更加高效—— 這表明隨機(jī)性可以控制甚至消除。這些研究意味著,重編程可以從一個(gè)隨機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性的過(guò)程。 許多科學(xué)家說(shuō),現(xiàn)在重編程過(guò)程中既有確定性的階段(開(kāi)始和結(jié)束),也有隨機(jī)的階段(中間神秘的一周)。對(duì)于這種爭(zhēng)論,漢納輕描淡寫(xiě),在他看來(lái)重編程的隨機(jī)性和確定性并沒(méi)有矛盾。他把重編程比作擲硬幣:每次擲硬幣的結(jié)果都是隨機(jī)的,但擲上100次,人像那面朝上的比例接近50%。類似的,任何一個(gè)細(xì)胞進(jìn)入重編狀態(tài)都是隨機(jī)的,但隨著時(shí)間的推移,重編程技術(shù)每次能產(chǎn)生的多能細(xì)胞將到達(dá)一個(gè)確定的百分比(或許是10%)。扎雷特表示,進(jìn)一步研究將解決這些爭(zhēng)論,弄清楚是什么因素讓細(xì)胞跳出一周的停滯期。 對(duì)于扎雷特而言,關(guān)于重編程的爭(zhēng)論引出了更重要的問(wèn)題:引發(fā)隨機(jī)性的生物學(xué)規(guī)則是什么!凹(xì)胞系統(tǒng)本身是構(gòu)建在一些‘固有噪音’和隨機(jī)事件之上的,而這些因素會(huì)在一定程度上將細(xì)胞引向確定的命運(yùn)方向。細(xì)胞的命運(yùn)并沒(méi)有因?yàn)殡S機(jī)事件而變來(lái)變?nèi),”他說(shuō)。這個(gè)問(wèn)題是涉及細(xì)胞類型的基礎(chǔ),這也吸引著他開(kāi)展研究。 而對(duì)于其他人,比如山中伸彌,打開(kāi)“黑匣子”的目的很實(shí)際:更高效的重編程能使實(shí)驗(yàn)完成得更好,得到更可靠的細(xì)胞來(lái)源,最終用于疾病治療!拔业难芯縿(dòng)機(jī)就是給病人治病,任何有助于推動(dòng)iPS細(xì)胞進(jìn)入臨床的研究都讓我感到興奮! 本文作者 戴維·西拉諾斯基是《自然》駐中國(guó)上海的記者。 本文來(lái)自《環(huán)球科學(xué)》2015年第2期,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |

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