Cell突破：诺奖之后，创新细胞重编程技术

　　

生物通报道  2006年日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）首次利用病毒载体将四个转录因子（Oct4，Sox2，Klf4和c-myc）的组合转入分化的体细胞中，使其重编程而得到了类似胚胎干细胞的一种细胞类型——诱导多能干细胞（iPSCs）。这一了不起的成果在本月早些时候被授予了诺贝尔生理学/医学奖。

尽管近年来iPS技术不断取得发展，各种改良技术时有出现。然而转化效率低下一直都是科学家们头疼的问题。成为了iPS临床转化的重要障碍之一。此外，由于基因插入可能导致细胞癌变，研究人员和临床医生对于推动这些细胞的潜在治疗应用也一直抱谨慎的态度。

现在，斯坦福大学医学院的研究人员设计了一种高效安全的新方法，只需利用基因编码的蛋白就可以生成诱导多能干细胞。这一研究成果发布在10月26日的《细胞》（Cell）杂志上。

这并非是首次尝试这样的方法。许多研究人员曾证实利用蛋白质来生成诱导多能干细胞虽然有可能实现，但效率却远远低于病毒方法。斯坦福大学的研究人员能取得前所未有的成功归因于一个意外的发现：最初方法中使用的病毒不仅仅对于基因传递至关重要。

斯坦福大学心血管研究所副所长和医学教授John Cooke博士说：“过去一直认为病毒仅仅是作为特洛伊木马（Trojan horse）将基因传递到细胞中。现在我们知道病毒可导致细胞松开染色体，使得DNA发生逆转至多能状态必需的改变。”

无需人类胚胎，iPS细胞为解决与干细胞研究相关的伦理道德困境提供了一个可能的替代方法。它们由机体内承担某一专门功能的成体细胞生成。在山中伸弥之前，人们认为这些细胞绝不可能恢复为起源的多能干细胞。然而山中伸弥却证实这些高度特化的细胞比之前认为的具有更大的发育灵活性或可塑性。在存在四个基因的条件下，它们就可以呈现出胚胎干细胞的特征，在合适的条件下可以变成几乎所有的细胞类型。

现在Cooke研究小组确定了这一转变发生的一个重要的组件。Cooke说：“我们发现当细胞暴露于一种病原体时，它会发生改变以适应或抵御挑战。这一先天免疫的一部分包括促进了DNA的可接近性。这使得细胞能够伸入它的遗传工具箱中，取出生存所需的东西。”它也使得多能诱导蛋白能够修饰DNA，将皮肤细胞或其他的特化细胞转变为一种胚胎干细胞样的细胞。

由于细胞激活了一种与存在病毒遗传物质时的炎症相似的免疫反应，研究人员将这一过程称为“转炎症”（ transflammation）。他们认为他们的研究发现有可能为在人类中使用iPS细胞，以及阐明多能性发生借助的生物学信号通路铺平了道路。

Cooke和同事们一开始就致力于优化利用细胞渗透性蛋白来重编程成体特化细胞变为多能干细胞。他们知道蛋白质进入到了细胞的细胞核中，在实验室它们能够结合正确的DNA序列。它们还能够维持过去采用其他方法重编程细胞的多能性。那么为何这些蛋白远不如病毒方法有效呢？

当研究人员将暴露于细胞渗透性蛋白的细胞的基因表达模式与负载基因的病毒感染的细胞进行比较时获得了突破：它们完全不同。Cooke想知道是否有可能病毒的某些特性对此负责。

研究人员利用细胞渗透性蛋白质和一种无关病毒重复了这一试验。多能性转化的效率显著提高。进一步的调查揭示这一效应是由于细胞内Toll样受体3（Toll-like receptor 3）信号激活所致，利用小分子模拟这一病毒遗传物质触发信号通路具有相似的效应。

“这些蛋白质是非整合性的，因此我们不必担心病毒诱导对宿主基因组的损害，”Cooke说。此外他还指出利用细胞渗透性蛋白可以赋予对重编程过程更高水平的控制，有可能促成在人类治疗中使用iPS细胞。

“现在我们知道当受到病原体挑战时细胞会呈现出更大的可塑性，理论上我们可以利用这一信息进一步操纵细胞诱导直接重编程，”Cooke说。

直接重编程涉及将像皮肤细胞这样的一种特化细胞诱导成为如内皮细胞这样的一种细胞分化类型，无需通过中间的多能状态。斯坦福大学的研究人员Marius Wernig博士利用直接重编程成功地将人类皮肤细胞转变为了功能性的神经元。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Activation of Innate Immunity Is Required for Efficient Nuclear Reprogramming

Retroviral overexpression of reprogramming factors (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) generates induced pluripotent stem cells (iPSCs). However, the integration of foreign DNA could induce genomic dysregulation. Cell-permeant proteins (CPPs) could overcome this limitation. To date, this approach has proved exceedingly inefficient. We discovered a striking difference in the pattern of gene expression induced by viral versus CPP-based delivery of the reprogramming factors, suggesting that a signaling pathway required for efficient nuclear reprogramming was activated by the retroviral, but not CPP approach. In gain- and loss-of-function studies, we find that the toll-like receptor 3 (TLR3) pathway enables efficient induction of pluripotency by viral or mmRNA approaches. Stimulation of TLR3 causes rapid and global changes in the expression of epigenetic modifiers to enhance chromatin remodeling and nuclear reprogramming. Activation of inflammatory pathways are required for efficient nuclear reprogramming in the induction of pluripotency.