杨黄恬研究组Cell Res获人iPS细胞研究新机制

杨黄恬研究组报道了从人类多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs），包括人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞（iPSCs），高效获得多能心血管前体细胞的新突破……

　　

   Cell Research杂志在线发表了健康科学研究所杨黄恬研究组题为“Highly efficient induction and long-term self-renewal of multipotent cardiovascular progenitors from human pluripotent stem cells under defined conditions”的研究论文，报道了从人类多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs），包括人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞（iPSCs），高效获得多能心血管前体细胞的新突破。

    hPSCs分化得到的多能心血管前体细胞（cardiovascular progenitor cells, CVPCs）对于药物筛选、心肌再生及其心脏疾病与心脏早期发育生物学的研究均具有重要意义。然而，如何在无滋养层细胞、无血清条件下采用简单的方法从hPSCs获得质量可控、高度富集的CVPCs以满足基础研究和医学转化的需求是一未解决的难题。此外，人们对CVPCs的自我更新与分化机制仍知之甚少，目前还没有方法在体外长期维持CVPCs的自我更新并保持其分化潜能。

    博士研究生曹楠和梁贺等发现在培养基成分明确的条件下联合加入BMP4 (bone morphogenetic protein 4)，ascorbic acid和glycogen synthase kinase-3 （GSK3)抑制剂CHIR99021(CHIR)可以高效地将未分化的hPSCs转换成表达人多能心血管前体细胞标志物MESP1、MEF2C、ISL1和SSEA1的CVPCs。并且通过对多个信号通路的系列筛选优化，发现上述诱导获得的CVPCs可在含有GSK3抑制剂CHIR，BMP抑制剂dorsomorphin，以及Activin/Nodal抑制剂A83-01的培养基中长期稳定地自我更新并保持多能心血管前体细胞特征。

    此外，研究人员在体畸胎瘤实验发现无论是新鲜转化的还是长期扩增后的CVPCs都不具有成瘤性，而对照的hPSCs均具有高度的成瘤性。在不同谱系分化条件下，新鲜转化的或是长期扩增后的CVPCs均具有向三个主要心血管谱系高效分化的能力，CVPCs诱导后可生成约80%-90%多的心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞。

    这一研究建立的系统为揭示人类心血管谱系特化过程中的分子机制和探讨心脏疾病的发生机制提供了独特的模型，并可为药物测试与开发以及心脏细胞替代疗法提供重要的无成瘤性的细胞来源。

    该项研究得到了来自中国科学院战略性先导科技专项、国家科技部、国家自然科学基金委等项目的资助。

原文摘要：

Highly efficient induction and long-term self-renewal of multipotent cardiovascular progenitors from human pluripotent stem cells under defined conditions

Cardiovascular progenitor cells (CVPCs) derived from human pluripotent stem cells (hPSCs), including human embryonic stem cells (hESCs) and human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), hold great promise for the study of cardiovascular development and cell-based therapy of heart diseases, but their applications are challenged by the difficulties in their efficient generation and stable maintenance. This study aims to develop chemically defined systems for robust generation and stable propagation of hPSC-derived CVPCs by modulating the key early developmental pathways involved in human cardiovascular specification and CVPC self-renewal. Herein we report that a combination of bone morphogenetic protein 4 (BMP4), glycogen synthase kinase 3 (GSK3) inhibitor CHIR99021 and ascorbic acid is sufficient to rapidly convert monolayer-cultured hPSCs, including hESCs and hiPSCs, into homogeneous CVPCs in a chemically defined medium under feeder- and serum-free culture conditions. These CVPCs stably self-renewed under feeder- and serum-free conditions and expanded over 107-fold when the differentiation-inducing signals from BMP, GSK3 and Activin/Nodal pathways were simultaneously eliminated. Furthermore, these CVPCs exhibited expected genome-wide molecular features of CVPCs, retained potentials to generate major cardiovascular lineages including cardiomyocytes, smooth muscle cells and endothelial cells in vitro, and were non-tumorigenic in vivo. Altogether, the established systems reported here permit efficient generation and stable maintenance of hPSC-derived CVPCs, which represent a powerful tool to study early embryonic cardiovascular development and provide a potentially safe source of cells for myocardial regenerative medicine.

作者简介：

杨黄恬

博士，研究员，博士生导师，教授

研究方向
由冠状动脉病变引发的心肌梗塞等缺血性心脏病及由此发生的心力衰竭已成为心血管疾病主要致死原因。及时疏通狭窄或阻塞的冠状动脉，使缺血心肌获得血液再灌注是治疗缺血性心脏病的根本策略，但再灌注本身也会造成额外的损伤。针对这些临床问题，课题组长期研究目标为认识心脏收缩功能调控和缺血后心力衰竭发生发展的细胞分子机理, 探寻防治缺血性心脏疾病尤其是缺血再灌注的有效靶点和手段。目前的主要研究方向为：
1. 多能干细胞分化的调控尤其是胚胎干细胞(ESCs)和诱导性多能干细胞(iPSCs)向心肌细胞分化的调控和建立有效的分化方法；
2. 多能干细胞分化的心肌细胞的功能调控特征和成熟的调控及应用潜能的探索；
3. 心肌钙信号网络及G蛋白耦联受体介导的信号通路在心肌发育和收缩中的调控；
4. 间歇性低氧适应、天然物质及内源性物质的心肌保护作用、细胞分子机制及应用转化型研究。

主要成果
1. 明确了不同种族心肌存在的不同密度和亲和力的α1-肾上腺素受体亚型和内皮素受体亚型，并揭示了兴奋这些受体耦联的IP3信号通路及Na+/Ca2+体在调控心肌收缩力中的重要作用；
2. 揭示了间歇性低氧和内源性物质的心肌保护新作用和机制：证明了间歇性低氧有效对抗致死性Ca2+超载和缺血/再灌注心肌损伤的钠钙交换体、肌浆网、线粒体的机制和CaMKII、ROS作为保护信号的重要作用；发现了α1-肾上腺素受体亚型、热休克蛋白27及E2F6等在抗缺血Ca2+超载、肌丝保护和凋亡调控的新作用和机制；发现了在心肌梗塞后给予间歇性低氧具有明显改善心梗后收缩功能、缩小心梗面积、抑制心梗后心肌重塑的新作用，为间歇性低氧可能的临床应用探索提供了重要的实验依据；
3. 建立了小鼠和人ESCs和小鼠与人iPSCs培养体系和向功能性心肌细胞有效分化体系；在此基础上在国际上率先建立了体外诱导大鼠ESCs分化为功能性心肌细胞的体系，证明了这些细胞具有类似于胚胎心肌细胞的电生理和钙瞬变特征，为这类细胞的应用探索提供了实验依据；
4. 揭示了由胚胎干细胞分化的心肌细胞不同发育期的基因表达谱和胞浆Ca2+信号的调控机制。发现了肌浆网Ca2+释放通道ryanodine受体2直接参与了心肌细胞搏动频率的调控，提示了该受体在心律失常和心脏卒死中的重要性，并证明RyR2和钙泵在ES细胞早期分化的心肌细胞的Ca2+信号和收缩功能中的关键调控作用和对神经元分化的促进作用及IP3R3介导的Ca2+信号在早期中胚层分化和心肌细胞分化命运决定中的重要作用和机制。

学习经历
1978-1982 南通医学院医学学士
1985-1988 苏州医学院医学硕士
1992-1994 日本山形大学医学部医学博士

工作简历
1982-1985 南通医学院药理教研室助教
1989-1992 南通医学院药理教研室讲师
1992-1997 日本山形大学医学部药理教研室客座研究员、助手
1997-2001 美国国立卫生研究院/老年研究所(NIH/NIA)心血管研究室/分子心脏学室访问学者
2000-至今 中科院上海生命科学院/上海交通大学医学院健康科学研究所研究员、课题组组长
2003-2004 中科院上海生命科学院/上海交通大学医学院健康科学研究所所长助理
2005-至今 中科院上海生命科学院/上海交通大学医学院健康科学研究所副所长
2006-至今 中科院上海生命科学院干细胞重点实验室课题组组长

荣誊(证书,称号,会员)
1990 中华医学会心血管病学会会员
1992-1993 日本世川医学奖学金
1993-1995 日本Weihala奖学金
1993-1997 日本药理学会会员
2000 中国科学院“****”
2000 中华医学会高原医学分会委员会委员
2001 NIH研究者优秀研究奖
2001 国际心脏研究学会中国分会会员、执委会委员(2004)、副主席(2008)
2001 上海生理学会理事、副理事长(2006)
2003 中国生理学会理事
2003 中国细胞生物学学会会员、理事(2007)
2004 中国病理生理学会心血管专业委员会执委会委员
2004 中国病理生理学会 信号转导专业委员会委员
2004 上海市科教系统“三八红旗手”
2001- 国际心脏研究学会中国分会会员、执委会委员(2004)、副主席(2008)
2001- 上海生理学会理事、副理事长(2006-)
2003- 中国生理学会理事、循环专业委员会委员（2004-）
2003- 中国和上海细胞生物学学会理事(2007-)
2004- 中国病理生理学会心血管专业委员会和信号转导专业委员会委员
2004 上海市科教系统“三八红旗手”
2009- American Heart Association/American Stroke Association Professional Membership
2010 Biophysical Society Membership
2011 上海市科技系统“三八红旗手”
学术期刊任职
2003- 《中国生物学文摘》编委
2004- Acta Physiologica Sinica常务编委 (2006-)
2008- Acta Pharmacol. Sinica编委
2010- 《中国应用生理学杂志》编委
2010- Frontier in Pharmacology编委
2010- Chinese Journal of Cell Biology编委
2011- Cell Death & Diseases编委