08《科学》十大突破最高奖:细胞程序重排技术

【字体: 时间:2008年12月19日 来源:生物通

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生物通报道,今天《科学》杂志公布了2008年度科学届十大重大突破成果。在其年度十大科学突破名单中,将最高的奖项授予了细胞程序重排技术。其中最耀眼的iPS技术自2007年出现以来,就被Science Nature Times列为07年的十大科学突破,2008年iPS一如既往地阔步飞跃,取得了令人瞩目的成绩。

  

生物通报道,今天《科学》杂志公布了2008年度科学届十大重大突破成果。在其年度十大科学突破名单中,将最高的奖项授予了细胞程序重排技术。其中最耀眼的iPS技术自2007年出现以来,就被Science ,Nature, Times列为07年的十大科学突破,2008年iPS一如既往地阔步飞跃,取得了令人瞩目的成绩。

 

《科学》杂志将最高荣誉授予细胞程序重排技术的理由是:短短一年时间,iPS技术从将正常细胞转变为诱导多能干细胞(iPS)进步到可以将病人体内异常的细胞诱导为诱导多能干细胞(iPS)。听起来就像是魔法般,从有病的细胞变成无病的细胞,那么由此推开去,有病的机体也可以通过这种办法变成没病的机体,病人可以变成健康人。

 

据《科学》杂志主管新闻的副主编Robert Coontz说,当《科学》杂志的作者和编辑开始着手挑选本年度最大的科学进展的时候,我们在寻找回答宇宙是如何运作的重大问题以及那些为未来的发现铺平道路的研究。我们首选的是细胞程序的重新设定,这项研究几乎一夜之间开启了一个生物学的新的领域,它有希望改变医学治疗现状,挽救更多的病患。

 

生物通在此为各位读者详解细胞程序重排技术的发展历程,主要分三个部分,一、iPS的起源;二、入选《科学》年度十大科学突破的理由;三、根据生物通往期的报道,整理iPS2008年取得的进展,解析国外以及国内的研究突破。生物通报道了大量iPS技术今年取得的进展,并且iPS技术已经入选生物通十大新闻评选候选新闻名单,请赶快投下您神圣的一票,Sigma-Aldrich特约之2008生命科学十大新闻评选

一、iPS起源

在iPS技术以前,科学家们很早就开始尝试细胞重新编程的研究工作,期望将分化的细胞重新编程获得具有干细胞样的多能细胞,在这个领域里,发展了三种技术:体细胞核移植术、细胞融合术和体外培养术。

 

然而,体细胞核移植术应用到人类需要人的卵细胞,涉及伦理问题,因此,在人类身上该技术停滞发展步伐,被科学家们渐渐遗弃。细胞融合技术因细胞的融合不可避免地使用杂交细胞多出的一套染色体,因此限制了此法在临床上的应用。体外培养技术因大多会缺失MHCI而被天然杀伤细胞识别和误杀因此也得到的临床上的应用。

 

历史的巨轮在前进,尽管这些方法最终告败,但是在这些研究中积淀了很多关于细胞程序重排的宝贵经验,科学家们逐渐了解到细胞重排过程中所需要的一些诱导转录因子。当反转录病毒载体技术发展起来,科学家们开始尝试将病毒载体携带转录因子导入分化细胞中,iPS技术吸收了细胞程序重排技术50多年的精华后横空出世。

 

2007年11月20日,美国和日本两个独立研究小组分别宣布,他们的研究人员成功地将人体皮肤细胞改造成了几乎可以和胚胎干细胞相媲美的干细胞。

 

这两个独立研究小组分别是美国威斯康辛大学麦迪逊分校的一个研究小组和日本京都大学一个研究小组,有趣的是,他们的研究成果分别发表在顶级杂志上,美国研究小组的文章发表在11月22日出版的《Science》杂志上,日本研究小组的文章发表在11月30日出版的《Cell》杂志上。

 

领导日本研究小组的是京都大学的山中伸弥教授,他早在2006年发现,将Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4这四个转录因子的基因,通过反转录病毒载体转染整合到MEFs(小鼠胚胎成纤维细胞,mouse embryonic fibroblasts)和TTFs(小鼠尾尖成纤维细胞,tail-tipfibroblasts)的核基因组后,将这些细胞诱导成了像ES细胞一样具有多向分化潜能的干细胞,由这种方法得到的细胞称为iPS细胞。由此,诱导体细胞为iPS细胞成为了细胞重编程领域研究的热点。

 

到了2007年后,科学家们的研究焦点从小鼠的成纤维细胞转向人类的细胞。干细胞史上划时代的里程碑时刻到来了。2007年11月,日本山中伸弥研究小组和美国华人女科学家俞君英研究小组分别成功地将人类的成纤维细胞诱导成了iPS细胞,使得利用iPS细胞用于临床治疗的可能性又向前迈进了一步。

 

二、入选《科学》年度十大科学突破的理由

iPS自2007年出现以来,就曾荣登Nature Science Times年度十大科学成果突破榜,缘何今年Science年度十大科学突破的最高奖项又再次花落与iPS有密切联系的细胞程序重排技术。听我一一道来。

 

2008年,iPS技术沿袭2007的余热,受到多个实验室的关注,在这一年里取得了诸多突破。Science杂志的编辑们认为,本年度7月31日Science发表一篇来自哈佛大学和哥伦比亚大学研究者的文章,据哈佛大学的Kevin Eggan介绍,研究小组从一名82岁的肌肉萎缩性(脊髓)侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)女性患者的皮肤细胞中提取病态的皮肤细胞,通过iPS诱导技术将病态细胞转变为诱导多能干细胞,并经过定向诱导促使其分化成运动神经元(在ALS患者体内发生病变的就是运动神经元)。(详细报道请点击:Science:ips又有新突破

 

将病态细胞转化为诱导多能干细胞对临床治疗来说不仅规避了伦理问题,还消除了抑制排斥的问题。

 

尽管还没有在临床上试验这些细胞的治疗效果,但是iPS技术实现了三级跳,从小鼠的成纤维细胞诱导干细胞—人皮肤成纤维细胞诱导干细胞—病态皮肤细胞诱导干细胞。

 

iPS技术为再生医学带来了极大的希望,尽管临床应用前路漫漫,今年的iPS技术取得了瞩目的成就,向iPS临床应用又迈进了一步。研究者们对iPS治疗帕金森,Ⅰ型糖尿病等疾病寄予厚望。

 

另外,哈佛大学干细胞研究所的Douglas A. Melton今年8月在Nature发表了一篇文章,进一步深化了iPS技术的研究,他们在小鼠体内通过基因重排技术,将三个重要的转录因子Ngn3、Pdx1和Mafa导入小鼠分化成熟的胰腺外分泌细胞内,经过重排后的胰腺外分泌细胞诱导转变成为胰腺β细胞,重排产生的β细胞从大小、结构以及超微结构来说与内生胰腺β细胞没有差异。这一研究成果表明,细胞重排技术发展到现阶段可以直接将器官中的成体分化细胞经过程序重排诱导成我们想要的功能细胞,而绕过了先诱导成多能干细胞再定向分化的繁琐操作。

 

三、根据生物通往期的报道,整理iPS2008年取得的进展,解析国外以及国内的研究突破

除了Science列举的细胞重排技术的进展外,在2008年中,iPS技术得到了极度的关注,也取得了不可小觑的成果。

iPS技术有三个极大的硬伤,一个是致癌性;一个是效率低。这两个问题是iPS技术从理论迈向临床应用需要跨越的鸿沟。当然,值得高兴的是,这些难题都在2008年一一被破解。

 

难题一:致癌性(c-Myc具致癌性)

在四个转录因子中,c-Myc是一个具有致癌性的转录因子,带有c-Myc的慢病毒载体会将该因子导入宿主基因组中,导致细胞产生癌变。本想用于致病救人的方法无奈却有致癌性,恐怕这病还是不治好,治疗恐怕后果更严重。

 

国外进展

致癌当然不容小觑,在这方面率先取得成果的来自麻省理工和哈佛大学的研究先驱。

 

来自麻省理工的Ruth Foreman在8月6号的《Cell Stem Cell》上发表文章,用Wnt取代c-Myc可以致病iPS并且消除致癌障碍,但是Wnt却会降低iPS的转化效率,因此研究者通过改进,将Wnt3a取代c-Myc,确保成功诱导iPS且不降低诱导效率,实验证明还具有提高转化效率的功效。(详细报道请点击:Cell:麻省理工突破ips致瘤障碍

 

来自哈佛大学干细胞研究所的科研人员不甘落后,也找到解决iPS致癌问题的答案。本年10月12日,哈佛大学的研究者在《Nature Biotechnology》上发布研究成果,他们使用一种化学因子丙戊酸(valproic acid, VPA)取代c-Myc与Klf4转录因子,可诱导人类成纤维细胞基因重排进而转化成iPS细胞。(详细报道点击:Nature子刊: iPS革新技术突破致癌障碍 安全iPS指日可待

 

哈佛大学Konrad Hochedlinger等在今年9月25日Science杂志上发表了另一种突破致癌障碍的新方法,他们用腺病毒在载体取代反转录病毒载体,在细胞体内瞬时表达四个转录因子,因腺病毒载体不会将转录因子整合到细胞的基因组中因此不会导致癌症的发生(详细报道请点击:最新《科学》:iPS技术里程碑)。

 

国内进展

值得一提的是,在国内,北大邓宏魁教授也找到了解决致癌难题的方法,11月6日,邓宏魁带领的研究小组在《Cell Stem Cell》上发表研究成果。研究小组将p53siRNA导入诱导细胞中,可抑制细胞发生癌变。(详细报道点击:北大Cell Stem Cell发iPS里程碑式成果

 

难题二:效率低(效率仅1/1000)

 

国外进展

哈佛大学Konrad Hochedlinger可谓是高产的科学家,在iPS研究上一直处于前沿的地位。他们在9月11号《Cell Stem Cell》发表文章,描述了一种新的诱导iPS的平台,只需要用药物-病毒系统就能产生iPS细胞,该方法独特之处在于用doxycycline来控制转录因子的表达,只要清除掉doxycycline,原代的iPS细胞就会分化成成熟的细胞,当再次接触doxycycline时,又促进细胞第二次程序重排,产生第二代iPS细胞。这一技术平台可最大效率优化iPS技术,提高iPS的诱导效率。(详细报道点击:Cell:哈佛iPS取得重大突破

 

另一个研究团队也解决了这一问题,来自Salk研究所的科学家联合意大利、西班牙的研究人员从头发中提取角质化细胞,诱导成iPS,有趣的是,用经典的方法进行诱导,用反转录病毒载体导入4个转录因(Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4)子后,角质化细胞的转化成iPS的效率高达1/10,比传统的效率高整整100倍。该文发表在10月17号的Nature子刊,《Nature Biotechnology》上。你不禁要问,效率提高如此多倍的原因是什么?答案连研究者也不知道,当然,他们也会在未来的研究中找到原因。(详细报道请点击:Nature子刊:iPS重大突破 诱导效率提升100倍

 

国内进展

在国内,北大邓宏魁教授也找到了解决效率低的方法,11月6日,邓宏魁带领的研究小组在《Cell Stem Cell》上发表研究成果。研究小组将p53siRNA与UTF1导入诱导细胞中,可提高iPS的诱导效率100倍,效率达1/10。(详细报道点击:北大Cell Stem Cell发iPS里程碑式成果 

 

2007年,中科院广州生物医药与健康研究院华南干细胞与再生医学研究所裴端卿11月6日在《细胞研究》(Cell Research)上发表文章,利用了未经修饰并且不带有选择标记的小鼠成体细胞,探索出了直接运用iPS 技术的新途径,并获取了近千分之三左右的高成功率。

 

iPS其他进展

今年10月,裴端卿于JBC曾发表文章,发现一类诱导iPS细胞的新类型,研究发现小鼠脑膜细胞Sox2表达量非常高,易于诱导为iPS细胞。(详细报道请点击:裴端卿JBC发干细胞技术新成果

 

日本产业技术综合研究所骨干研究员大串始的研究小组8月21日在东京举行的研讨会上宣布,从拔下的智齿所含细胞中成功培养出了新型万能细胞“iPS细胞”。

 

亲爱的读者朋友,如果您觉得国外或是国内还有iPS的重大突破是生物通编辑所遗漏的请留言,编辑将及时更新。

 

(生物通 张欢)

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