中科院Nature子刊揭示体细胞重编程分子机制

【字体: 时间:2013年05月28日 来源:生物通

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  来自中科院广州生物医药与健康研究院的研究人员,通过优化转化因子的导入顺序,开发了一个体细胞重编程新方案,证实相比于传统的方法可使重编程效率大大提高,并由此揭示了重编程起始阶段按顺序经历的一个先发生EMT(上皮细胞向间充质转化),再发生MET(间充质向上皮转化)的分子过程。

  

生物通报道  来自中科院广州生物医药与健康研究院的研究人员,通过优化转化因子的导入顺序,开发了一个体细胞重编程新方案,证实相比于传统的方法可使重编程效率大大提高,并由此揭示了重编程起始阶段按顺序经历的一个先发生EMT(上皮细胞向间充质转化),再发生MET(间充质向上皮转化)的分子过程。这一突破性的研究成果发表在5月26日的《自然细胞生物学》(Nature Cell Biology)杂志上。

来自中科院广州生物医药与健康研究院的裴端卿(Duanqing Pei)教授和郑辉(Hui Zheng)研究员为这篇论文的共同通讯作者。裴端卿教授课题组近年来在iPS研究领域成果颇丰。研究成果曾两度当选为国际权威干细胞研究期刊《细胞干细胞》(Cell stem cell)的封面故事。

2006年山中伸弥成功地将小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)重编程为诱导多能干细胞(iPSCs),被视作是生物和医学领域一项里程碑式的研究成果。自那时起,研究人员一直尝试从转录因子组合、载体传递方法或细胞来源等多个方面入手来改善这一技术。

尽管一直以来人们认为iPSCs可以避免胚胎干细胞存在的伦理争议,以及免疫排斥问题, 是胚胎干细胞良好的替代材料,然而目前iPSCs的临床应用仍然存在问题。有可能由于研究人员所采用重编程方案有所差异,许多关于iPSCs基因组不稳定性和免疫原性的研究结论相互矛盾。因此,深入地了解重编程机制,有助于更好地操作这一新兴技术。在此前的研究中,裴端卿课题组曾证实维生素C(Vc)可以促进iPSCs生成,并提高细胞的质量。在细胞水平上,他们还证实MEF是重编程的必要条件。

当前对于山中伸弥启动体细胞重编程的4个因子的确切作用仍了解甚少,尤其对于不同的细胞类型以及不同的条件下所导致的重编程效率差异。在解析MEF的过程中,研究人员曾揭示了山中伸弥所采用的4个因子在协调重编程过程中明确的分工。首先,Sox2抑制了一个关键间质基因Snail的表达,由此消除了细胞的间质特性。随后,4个因子集中作用于TGF-β信号通路,阻止了EMT过程,使得细胞处于一种非间质性状态。最后,Klf4通过触发E-cadherin表达激活上皮转化,使得重编程细胞在变成iPSCs之前获得上皮形态。基于这一这些观察结果,研究人员进一步提出以一种时间敏感性方式导入4个因子,有可能能够优化重编程效率。

在这篇新文章中,研究人员报道了一个优化的、按顺序导入4个因子的新重编程方案:首先导入Oct4–Klf4,随后导入c-Myc,最后导入Sox2。证实这一方案优于同时导入4个因子。令人惊讶的是,研究人员发现采用这一重编程方案导致了Slug和N-cadherin上调,表明在MET之前还存在一个早期的EMT过程。此外,研究人员还证实,采用TGF-β处理细胞1.5天诱导早期EMT,可以促进转化因子同时导入方案诱导的重编程,而TGF-β处理12天则会阻断重编程。当研究人员在采用转化因子依顺序导入方案的过程中加入TGF-β拮抗剂时,也获得了一致的结论。

在这项新研究中,研究人员开发了一个优化的按顺序导入转化因子的新重编程方案,并揭示了重编程起始过程中一个重要的EMT–MET转变机制。新研究为进一步探索优化重编程提供了基础原理,或将有助于推动诱导多能干细胞研究的理论和实践突破。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

Sequential introduction of reprogramming factors reveals a time-sensitive requirement for individual factors and a sequential EMT–MET mechanism for optimal reprogramming

Present practices for reprogramming somatic cells to induced pluripotent stem cells involve simultaneous introduction of reprogramming factors. Here we report that a sequential introduction protocol (Oct4–Klf4 first, then c-Myc and finally Sox2) outperforms the simultaneous one. Surprisingly, the sequential protocol activates an early epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) as indicated by the upregulation of Slug and N-cadherin followed by a delayed mesenchymal-to-epithelial transition (MET). An early EMT induced by 1.5-day TGF-β treatment enhances reprogramming with the simultaneous protocol, whereas 12-day treatment blocks reprogramming. Consistent results were obtained when the TGF-β antagonist Repsox was applied in the sequential protocol. These results reveal a time-sensitive role of individual factors for optimal reprogramming and a sequential EMT–MET mechanism at the start of reprogramming. Our studies provide a rationale for further optimizing reprogramming, and introduce the concept of a sequential EMT–MET mechanism for cell fate decision that should be investigated further in other systems, both in vitro and in vivo.

作者简介:

裴端卿

中国科学院广州生物医药与健康研究院院长、华南干细胞与再生医学研究所所长、研究员、博士生导师,国家"973计划"、"863计划"生物医药领域专家,国家中长期科技发展纲要"发育与生殖"重大研究计划专家,国家基金委杰出青年、****、中科院****、“新世纪百千万人才工程”国家级人选。

主要从事干细胞全能性调控机理方面的研究。在多能性转录因子Oct4、Nanog和Sox2的结构与功能研究中取得了国际公认的成果,并发现了调控干细胞多能性的负反馈调控机制,成功地解释了胚胎干细胞中多能性核心因子受到严格调控的表型。在国内率先建立了体细胞重编程(iPS)技术平台,并在国际上首次实现猪的体细胞重编程,并利用维生素C极大的提高了诱导多能干细胞(iPSC)转化效率,为我国在该领域的发展起到了引领作用。目前已在Nature、Cancer cell、 Cell stem cell、PLoS Biology、 Proc. Natl. Acad. Sci.、Cancer Res、FASEB J、J of Biol. Chem. 等国际著名学术刊物上发表42篇论文。从1991年至2009年,共发表SCI收录的论文70余篇,被SCI引用2000多次,单篇最高引用360次。担任Journal of Biological Chemistry编委,Cell Research副主编,Archives of Biochemistry and Biophysics编委,Biochemical Journal顾问编委,以及Proceedings of National Academy of Sciences(PNAS)、Cancer Research、Biochimica et biophysica acta、FASEB Journal等学术刊物的审稿人,亚太干细胞网络执委,广州干细胞与再生医学技术联盟理事长。

郑辉

简历:
2001-2005清华大学生物科学与技术系学士学位
2005-2010美国明尼苏达大学药理系博士学位
2010-2010美国明尼苏达大学药理系博士后
2010-至今中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员

研究领域:
1。神经干细胞与学习和记忆2。吗啡受体的信号通路和成瘾性研究
3。胆固醇对于G蛋白偶联受体信号通路的影响

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