北大鄧宏魁團隊直接從早期胚胎中捕獲全能干細胞，可在體外長期穩(wěn)定傳代，同圈點評：極具產(chǎn)業(yè)化應用價值
一個月內，北京大學鄧宏魁教授團隊再發(fā)干細胞化學重編程重要進展。
日前，北京大學鄧宏魁等研究團隊在 Cell Research 上發(fā)表通過化學方式誘導小鼠二細胞胚胎分化成新型全能干細胞的最新論文。在研究中，他們通過小分子化學物構建了一種可以培養(yǎng)新型全能干細胞的環(huán)境，這種培養(yǎng)條件能夠在體外支持小鼠二細胞胚胎以及擴展型多能干細胞（EPS 細胞）直接分化成全能干細胞系。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胞稱之為全能潛能干細胞（totipotent potential stem cells, TPS 細胞）。據(jù)北京大學官方通稿介紹，這種全能干細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分化成類似于體內囊胚的類囊胚結構，而非單純的細胞團。這種方式為在體外完全捕獲全能干細胞提供一種新思路，同時也為在不同物種中維持全能干細胞穩(wěn)態(tài)提供了可行的方式。本次研究由北京大學生命科學學院、生命聯(lián)合中心鄧宏魁教授，北京大學醫(yī)學部基礎醫(yī)學院徐君博士以及北京大學生命科學學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：北京大學官網(wǎng)）“該研究從小鼠 2 細胞胚胎中直接獲得了全能性干細胞，而且采取化學小分子的組合在體外穩(wěn)定了這種瞬時的細胞狀態(tài)。這可以讓這種具有強大功能的細胞穩(wěn)定存在，同時也可以幫助學界更精準地分析胚胎發(fā)育的機理。” 國內干細胞療法新銳睿健醫(yī)藥創(chuàng)始人魏君博士告訴生輝。“本研究為體外研究細胞全能性調控的分子機制提供了新的模型。TPS 細胞可以高效的形成類囊胚結構，該結構中的滋養(yǎng)層細胞更類似于著床前囊胚中的滋養(yǎng)外胚層細胞，因此 TPS 細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胞等成體細胞高效的逆分化，這種化學重編程實際上實現(xiàn)了人工體外獲得全能干細胞。直接獲取全能干細胞難度猶在
長久以來，在干細胞領域內存在這樣一個科學問題，即是否可以從早期胚胎中捕獲全能干細胞。全能干細胞的獲取大體可以分為直接獲取和工程轉化兩種方式。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胞，但是這種細胞往往瞬時存在，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胞逆分化獲得全能干細胞，而不是采用直接獲取的方式。李翔告訴生輝，獲取全能干細胞的關鍵要點一方面在于如何誘導出和早期全能胚胎相似的全能干細胞；另一方面在于如何在體外維持全能干細胞。目前最主要的難點是如何在體外維持全能干細胞的自我更新。以小鼠為例，只有受精卵及 2 細胞胚胎具有全能性，隨后發(fā)育的囊胚細胞發(fā)育潛能受限，無法同時發(fā)育胚內和胚外組織。此前，科研人員也發(fā)現(xiàn)小鼠多能干細胞群中存在少量二細胞樣細胞，這些細胞也具有 2 細胞胚胎的部分分子特征，但是仍然和體內的 2 細胞胚胎存在差異，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，在人和小鼠中構建了一種擴展型多能干細胞（EPS 細胞）。這種細胞具有胚胎內和胚胎外的發(fā)育潛能，同時也可以被誘導分化類囊胚。然而，EPS 細胞同樣與 2 細胞胚胎存在差異，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胞中直接獲取全能干細胞還存在一定的挑戰(zhàn)。從早期胚胎中直接捕獲全能干細胞，可在體外長期穩(wěn)定傳代
鄧宏魁實驗室長期專注于細胞命運的重編程研究，多年來采用包括化學小分子誘導和調控細胞命運為代表性的方法學，取得了一系列關鍵突破。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小分子誘導人成體細胞轉變?yōu)槎酀撃芨杉毎陌咐?/span>為了解決上述問題，他們同樣采用化學方式構建分化全能干細胞的培養(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 細胞胚胎中構建全能干細胞，同時也能將 EPS 誘導分化為全能干細胞（TPS 細胞）。然后，研究人員進一步分析了 CPEC 組合制備的 TPS 細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 細胞才能獲得穩(wěn)定的全能特征。▲圖 | 鑒定在體外誘導全能干細胞的化學混合物（來源：Cell Research）研究人員又從轉錄組、表觀遺傳特征、嵌合能力等方面進一步評估了 TPS 細胞的分子特征和分化發(fā)育潛能。研究指出，TPS 細胞在轉錄組水平與 2 細胞胚胎高度相似，具備 2 細胞胚胎表觀修飾特征，以及單個 TPS 細胞具備同時向胚內和胚外分化發(fā)育的潛力。TPS 細胞的全能性如何？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，尤其是植入體內后要能形成新的個體，這應該是評估全能性的金標準。緊接著，他們評估了在 CPEC 條件下制備的 TPS 細胞的全能性，證明了通過調控早期胚胎發(fā)育的信號通路，可以誘導 TPS 細胞分化成類囊胚結構。“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構，包括了胚胎本身和胚胎外滋養(yǎng)層，這比胚胎本身更為復雜。也就是說，TPS 細胞比單純的干細胞更先進，也從側面反映出 TPS 細胞的分化能力更強。更重要的一點是，TPS 細胞可以分化成一種結構，而不是單純的細胞團。” 魏君說。不過，將 TPS 分化成的類囊胚結構植入體內后，雖然可以誘導蛻膜化反應，但是仍無法像正常囊胚那樣發(fā)育成個體，這也表明誘導類囊胚的方案仍需優(yōu)化。指子宮內膜基質細胞 (ESC) 向蛻膜細胞的分化，是胚胎成功植入和胎盤形成的關鍵步驟。最后，研究人員探索了 CPEC 培養(yǎng)條件對 TPS 細胞全能性的調節(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 細胞的誘導和穩(wěn)態(tài)維持具有重要作用。“具有極大產(chǎn)業(yè)應用價值”
論文指出，這項研究證明了從早期胚胎中提取全能干細胞的可行性，通過化學方式誘導分化的 TPS 細胞或為體外研究全能性調節(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的哺乳動物中捕獲全能干細胞提供了一種新途徑。目前，利用化學方式誘導的 TPS 細胞是在小鼠上成功實現(xiàn)，這一方式是否也可應用于人體細胞？魏君認為，這一方式有潛力應用于人體細胞中。她指出，小鼠和人有類似的地方，但是在一些發(fā)育細節(jié)上有所不同，比如是 2 細胞期還是 8 細胞期。理論上講，類似的方法可以在人細胞上使用，但是細節(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)應用提供更多的重要信息，比如細胞穩(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胞的方式信心滿滿。魏君告訴生輝，無論是從體細胞脫分化形成多能干細胞，還是從多能干細胞進一步脫分化轉化為全能干細胞，瞬時狀態(tài)細胞的捕獲和穩(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胞類型，能夠把這類細胞的狀態(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)的細胞的種類，然后針對不同種類細胞的特征優(yōu)化特定細胞的維持方法，這是一個系統(tǒng)的工作。由于部分細胞僅瞬時存在，如果工作的第一步能夠明確發(fā)育過程中細胞的種類，后續(xù)也就能以推進和分析了?！?nbsp;魏君說。李翔也認為該研究具有一定的產(chǎn)業(yè)應用潛力，不過他強調該研究真正應用于產(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)?；a(chǎn)的重要考量因素，目前體外獲得全能干細胞的增殖能力可能還需要進一步優(yōu)化。此外，化學小分子誘導的全能干細胞的均質性可以進一步鑒定，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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