中国鼠年华人科学家成功建立大鼠胚胎干细胞

2008年，中国传统文化的鼠年(The Year of the Rat)见证了华人科学家应其龙博士基于全新理论与技术建立的大鼠胚胎干细胞的诞生。鼠年作为十二生肖诸年之首，预示着在现代生物科技与医学研究领域中大鼠将作为典型的动物模型用于人类疾病研究的时代即将开始。中国人独自领导的研究小组在世界前沿生物科技领域中取得成功表明华人在世界尖端科技领域的科研实力已达到国际水平。

　　

作者：钱其军教授

应其龙教授简介

应其龙教授87年毕业于中国人民解放军第一军医大学，后在上海医科大学完成了从硕士到博士后的研究工作。1999年应博士远渡重洋至英国爱丁堡大学干细胞研究所，开始了为期7年的干细胞研究工作，并在那里遇到了对他的科研生涯影响巨大的国际干细胞领域专家、英国皇家科学院院士Austin Smith教授。2006年4月来到美国南加州大学干细胞中心任助理教授，并且建立了自己的实验室，至今已两年有余。

    2008年，中国传统文化的鼠年(The Year of the Rat)见证了华人科学家应其龙博士基于全新理论与技术建立的大鼠胚胎干细胞的诞生。鼠年作为十二生肖诸年之首，预示着在现代生物科技与医学研究领域中大鼠将作为典型的动物模型用于人类疾病研究的时代即将开始。中国人独自领导的研究小组在世界前沿生物科技领域中取得又一重要成功。

    2008年12月26日，国际顶尖杂志《细胞》发表以华人科学家应其龙教授领导的科研小组成功地从大鼠胚胎中提取胚胎干细胞（ES细胞）的文章。在《细胞》In this Issue(Cell 2008,135,1147)专门标示the Year of the Rat, 表示对华人文化的尊重。在另一个国际顶尖杂志《自然》网站Reports:stem cell(http://www.nature.com/news/2008/081224/full/news.2008.1336.html) 专门介绍了这一重大成果，国际多个著名生物报刊及网站也纷纷报道这一个重要成果。为什么一个大鼠胚胎干细胞会引起如此广泛的关注？

    1981年Evans MJ成功从小鼠囊胚的内细胞团提取小鼠ES细胞，由于小鼠ES细胞在小鼠体内可以进行基因操作，从而使得科学家能够确定特定基因在发育、生理和病理过程中的作用，在生命科学及医学治疗的发展中起着革命性作用，为此他在2007年荣获诺贝尔医学生理学奖。但是28年过去了，科学家们（包括Evans MJ）力图建立第二种能在动物体内实现生殖传代的胚胎干细胞株，却一直未获成功，尽管在人、猴, 甚至其它一些动物都似乎建立了胚胎干细胞株，然而最近，有科学家认为由于上述物种胚胎干细胞的建立过程中缺少生殖传代实验, 有些甚至没有做过嵌合动物, 因此难以确定是真正意义上的胚胎干细胞株, 例如目前国际上普通应用的人的胚胎干细胞株似乎更象外胚层干细胞EpiSCs (post implantation epiblast derived stem cells) (Nature. 2007 Jul 12;448(7150):196-9)。

    这表明人们还缺乏对ES细胞根本机制的认识。胚胎干细胞是否在不同的物种间存在共同的自我更新的机制？为什么发现了滋养层细胞与血清中维持小鼠胚胎干细胞自我更新的有效成份（LIF和BMP4）后，仍然不能用它们来建立其他物种的胚胎干细胞？小鼠与人的胚胎干细胞在各方面的差异是否来源于物种的差异？等等。这一系列的问题引起了当时在英国做博士后研究的中国青年学者应其龙的深思。

    在胚胎干细胞建立的过程中如何维持其长期体外自我更新一直是个核心问题，即使在体内，相当于胚胎干细胞的内细胞团在囊胚内也会经过短暂的发育后向下分化。从常规的方法来看，要想让胚胎干细胞处于自我更新状态就必须激活自我更新相关的信号通路。然而人们在过度关注维持胚胎干细胞自我更新的时候却忽视了它的另一个重要性质：多向分化潜能。应其龙一直在想:如果胚胎干细胞的分化相关信号通路被抑制了，它是否就能维持胚胎干细胞生长了。

    然而，导致胚胎干细胞分化的信号通路种类繁多，错综复杂。经过无数的尝试与分析后，年轻的学者应其龙得出结论：只需用小分子化学药物（SU5402和PD184352或PD0325901）抑制最初的导致胚胎干细胞分化的信号通路（FGF/MEK/ERK），就可使小鼠胚胎干细胞一直处于自我更新状态, 这种自我更新还可以通过加入另一种小分子化学药物CHIRON99021得到加强。令人惊奇的是这种自我更新无需来自滋养层细胞与血清中的任何激活自我更新的成份。进一步的实验结果表明应用这种方法（3i）建立的小鼠胚胎干细胞完全符合严格的胚胎干细胞检测标准。这种通过抑制分化而不是刺激自我更新的新型小鼠胚胎干细胞的建立方法使应其龙意识到胚胎干细胞默认的状态是自我更新而非传统观点认为的自发分化，应其龙博士这一研究成果对传统的干细胞自我复制及分化理论提出了挑战，使科学家们必须重新思考和修订传统的干细胞理论，为人们重新认识胚胎干细胞自我复制及分化的分子机制和研究肿瘤干细胞提供一种新的思路,文章发表在Nature(Nature. 2008 May 22;453(7194):519-23.)。

    如果用经典的方法，小鼠胚胎干细胞只能在几个非常有限的品系中建立。然而运用3i的培养方法，多个小鼠品系的胚胎干细胞以非常高的成功率得以建立。

    但是，这种技术是否适用于其他物种呢？对于其他物种的胚胎干细胞是否也以自我更新为基础状态呢？全新的理论与技术面临着全新的考验。

    大鼠作为更理想的实验动物模型与小鼠进化上的接近使它成为下一步最适合的实验材料。2006年4月应其龙到美国南加州大学干细胞中心任助理教授，并且建立了自己的实验室，经过近二年的努力，应其龙研究小组成功建立符合严格生物学检测的多个品系大鼠胚胎干细胞。这项研究成果发表在2008年12月26日cell杂志上(Cell 2008 135, 1299–1310.)。

    运用传统的方法，从小鼠的胚胎干细胞到疑似人的胚胎干细胞的建立，人们花了整整28年之久。然而运用新型的理论与技术，从小鼠及大鼠中成功移植胚胎干细胞，仅仅用了两年的时间。这一切说明了这种理论的正确性与技术的有效性。

    大鼠胚胎干细胞的成功建立具有非常深远的意义。南加州大学Eli&Edythe再生医学与干细胞研中心主任Martin Pera说：“大鼠胚胎干细胞的成功建立在生物医学领域是一个非常重要的进展，这些新的细胞系是应用研究与药物开发的重要技术平台，第一次使生理、病理及药物学研究方面更广泛应用的大鼠的遗传学操作成为可能”。大鼠作为动物模型更接近于人类。基因敲除和基因敲入小鼠模型在人类疾病的研究中已得到广泛的应用，使人们认识到更深刻的疾病机制并找到相应的治疗办法。然而小鼠动物模型有其局限性。大鼠作为动物模型更有优势，大鼠胚胎干细胞的建立使基因敲除大鼠模型成为可能，恰好解决了这些问题。其他物种的胚胎干细胞因此也可参照类似的方法建立。最近应其龙教授与上海第二军医大学东方肝胆外科医院开始在大动物如牛、猪中建立胚胎干细胞(http://www.nature.com/news/2008/081224/full/news.2008.1336.html)，大动物胚胎干细胞不仅能建立转基因动物，而且有助于科学家研究更接近于人类的生物的细胞治疗。

    这种全新的对胚胎干细胞自我更新的理论认识与明确的实验结果使人们不得不反思与质疑传统的胚胎干细胞观点。胚胎干细胞默认的状态是自我更新而不是传统认为的自发分化。凡是基于这种传统认识的研究的根基受到了动摇，胚胎干细胞研究将进入一个新的方向。有了更广泛的动物模型的胚胎干细胞资源，胚胎干细胞的再生医学应用研究必将进入一个飞速发展的新阶段。

应其龙近期发表的重要文章:

1. PingLi, ChangTong, RutyMehrian-Shai, LiJia, NancyWu, YouzhenYan, RobertE.Maxson, EricN.Schulze,Houyan Song, Chih-LinHsieh, Martin F.Pera, and Qi-LongYing Germline Competent Embryonic Stem Cells Derived from Rat Blastocysts. Cell 2008 135, 1299–1310
2. Mia Buehr, Stephen Meek, Kate Blair, Jian Yang, Janice Ure, Jose Silva, Renee McLay, John Hall,Qi-LongYing, and Austin Smith Capture of Authentic Embryonic Stem Cells from Rat Blastocysts. Cell 135,1287-1298
3. Ying QL, Wray J, Nichols J, Batlle-Morera L, Doble B, Woodgett J, Cohen P, Smith A.The ground state of embryonic stem cell self-renewal. Nature. 2008 453(7194):519-23.
4. Ying QL, Nichols J, Chambers I, Smith A. - BMP induction of Id proteins suppresses differentiation and sustains embryonic stem cell self-renewal in collaboration with STAT3. - Cell 2003;115(3):281-92 .
5. Ying QL, Stavridis M, Griffiths D, Li M, Smith A. - Conversion of embryonic stem cells into neuroectodermal precursors in adherent monoculture. - Nat Biotechnol 2003 ;21(2):183-6
6. Ying QL, Nichols J, Evans EP, Smith AG. - Changing potency by spontaneous fusion. - Nature 2002;416(6880):545-8 .