癌症干细胞特刊 中国学者多篇研究论文

　　

生物通报道：《Cell Stem Cell》杂志是2007年Cell出版社新增两名新成员之一（另外一个杂志是Cell Host & Microbe），这一杂志内容涵盖了从最基本的细胞和发育机制到医疗软件临床应用等整个干细胞生物学研究内容。这一杂志特别关注胚胎干细胞、组织特异性和癌症干细胞的最新成果。

近期Cell Stem Cell杂志推出癌症干细胞特刊，在多个方面介绍了癌症干细胞的研究进展及新观点，其中包含中国学者多篇研究论文，主要涉及单倍体干细胞，利用TALENs基因编辑技术分析基因突变等成果。

TALEN-Mediated Gene Mutagenesis in Rhesus and Cynomolgus Monkeys

来自云南省灵长类生物医学重点实验室、同济大学医学院等处的研究人员通过一种叫做转录激活因子样效应物核酸酶（ TALENs）的基因编辑技术，获得了出生即携带 MECP2 基因突变的雌性石蟹猴，这是采用 TALENs 技术构建出的首个非人类灵长类动物模型。

云南省灵长类生物医学重点实验室的季维智（Weizhi Ji）研究员、同济大学医学院的孙毅（Yi Eve Sun）教授以及李思光（Siguang Li）博士是这篇论文的共同通讯作者。

TALEN 技术是一种新的靶向基因修饰技术，TALE 蛋白的氨基酸序列与靶位点的核酸序列具有恒定的对应关系。研究者通过组合各类模块，可针对任意核酸靶序列构建 TALEN ，在特异位点切割目标基因，产生双链断裂，进而对该位点进行多种 DNA 操作，如基因敲除、基因敲入、定点突变。

该技术成功解决了 RNAi 技术中基因敲落（knockdown）效率低下的问题，同时克服了锌指核酸酶（ZFN）技术筛选复杂、成本过高的缺点，也避免了 CRISPR/Cas9 严重脱靶的现象，使靶向基因修饰变得更为高效和便捷。 TALEN 技术现已成功应用于动物（人类、鼠、鱼、家蚕等）、植物（烟草、水稻、拟南芥等）、微生物（酵母、病毒等），无基因序列、细胞类型和物种的限制利用。

研究人员证实，这只猴子的胎盘、脐带和皮肤之中均存在 MECP2 突变。作者们在文章中写到：“到目前为止我们未在这种雌性猴身上观察到任何的行为障碍。 Rett 综合征的症状要到人类 6-18 个月时才会显现。检测这一表型有可能还需要一段较长的时间。”

Direct Reprogramming of Human Fibroblasts to Functional and Expandable Hepatocytes

中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所惠利健研究组最新研究发现，通过表达三个肝脏转录因子，可成功将人体皮肤细胞转变为肝细胞。这项获得人类肝细胞的方法，向最终实现肝细胞治疗、生物人工肝等领域前进了一大步。

众所周知，中国被誉为“肝炎大国”。其中因乙型肝炎、丙型肝炎感染等原因引起的肝炎、肝硬化、肝癌以及其他终末期肝病患者往往只能通过肝脏移植来治疗，但肝脏供体的缺乏严重阻碍了肝脏移植治疗的应用。近年来新发展起来的肝细胞移植、生物人工肝等新型治疗手段也依然面临着肝细胞缺乏的问题。因此发展新的方法生产人肝细胞已经迫在眉睫。

2011年，惠利健研究组已经成功将小鼠皮肤细胞转变为肝细胞，并在世界权威学术期刊Nature上发表，并获得当年中国科学十大进展。但他们发现，利用完全一样的方法，并不能将人的成纤维细胞重编程为肝细胞。

经过重新筛选和优化条件，他们成功建立了诱导人成纤维细胞重编程为肝细胞（hiHep细胞）的方法。hiHep细胞表达肝脏基因，并具有肝细胞的许多功能，包括分泌血清白蛋白、积累糖原、代谢药物、药物转运等。通过将hiHep细胞移植到肝脏特异转录因子（酪氨酸代谢缺陷）模型小鼠中，hiHep细胞可成功整合到小鼠肝脏中发挥功能。经移植后的小鼠肝功能指标明显恢复，并有近40%的小鼠最终被救活。

Human Hepatocytes with Drug Metabolic Function Induced from Fibroblasts by Lineage Reprogramming

如何获得功能成熟的细胞是再生医学和药物研发领域所面临的长期挑战，这一问题始终未能取得根本性的突破。为了解决这个难题，生命中心邓宏魁研究组长期致力于制备功能成熟的人肝脏实质细胞的方法，在2007年首次实现了人胚胎干细胞向肝脏实质细胞的定向分化，在2009年首次实现了人诱导性多能干细胞向肝脏实质细胞的定向分化，该分化策略被国际上广泛应用。目前该研究组提出了一种全新的策略，成功地将人皮肤成纤维细胞诱导为具有成熟代谢功能的人诱导性肝脏实质细胞（human induced hepatocytes, hiHeps），该种细胞可在肝损伤小鼠模型中高效重建肝脏功能。

传统的转分化研究仅采用目标细胞的命运决定因子来诱导细胞类型的转变。邓宏魁研究组发现利用这一方法，仅仅过表达肝脏实质细胞的命运决定因子HNF1A、HNF4A和HNF6并不能获得功能成熟的人肝脏实质细胞，而只有在同时过表达功能成熟因子ATF5、PROX1和CEBPA的情况下，才能获得功能成熟的人肝脏实质细胞，且诱导效率超过90%。由这种新方法获得的细胞被命名为人诱导性肝脏实质细胞（human induced hepatocytes, hiHeps）。它具有成熟肝脏实质细胞的特征，特别是其药物代谢能力和肝脏毒素敏感性与新鲜分离的人成体原代肝脏实质细胞相当，为体外的药物高通量筛选提供了新的细胞来源。

这种hiHeps细胞首次在肝损伤的免疫缺陷小鼠上实现了高效重建肝脏功能。重建后的小鼠肝脏长期持续分泌高水平的人白蛋白，这种肝脏高度人源化的小鼠为人类肝炎病毒研究、药物代谢研究提供更加可靠的体内模型。研究组还发现hiHeps细胞长期移植后不会导致肿瘤的形成。更为重要的是，处于转分化中间状态的细胞具有极强的增殖能力，可在肝细胞功能成熟前扩增超过106倍，这意味着仅利用一滴血体积的人体细胞就可获得与人成体肝脏器官相当的人肝脏实质细胞数量，这一特征使得临床运用hiHeps进行细胞替代治疗极具应用前景。

Genetic Modification and Screening in Rat Using Haploid Embryonic Stem Cells

单倍体胚胎干细胞同时具有单倍体细胞和胚胎干细胞的特性，由于其只含有一套染色体，不存在等位基因在基因功能上的补偿作用，因此是研究隐性基因功能的理想模型。同时，其胚胎干细胞的特性又可以将基因修饰直接遗传给后代，从而避免了其他转基因方法种系嵌合等方面的要求，可以极大提高基因修饰的效率及应用范围。

在这项最新研究中，周琪研究组成功地建立了大鼠的单倍体胚胎干细胞系，并证明大鼠单倍体胚胎干细胞在长期培养过程中仍可维持单倍性和多能性。进一步研究证明针对大鼠单倍体胚胎干细胞进行大规模随机突变可以快速地建立涵盖整个基因组的基因突变细胞库，从而为大规模基因筛选提供了基础。利用基因定点修饰技术 CRISPR-Cas 系统，可快速高效地在单倍体干细胞上进行精确定位的基因修饰或敲除，并且处理后的细胞仍能维持单倍体和多能性状态。尤为重要的是该工作证明了大鼠单倍体胚胎干细胞同样具有替代精子与卵母细胞“受精”并产生健康大鼠的能力。通过种系嵌合和替代精子进行卵胞质注射两种途径，该团队都成功获得了健康的携带基因修饰的大鼠，从而证明大鼠孤雄单倍体胚胎干细胞可以将基因修饰快速地遗传给后代，为研究基因功能提供了便利。
（生物通：万纹）
 

原文摘要：

When Half Is Better Than the Whole: Advances in Haploid Embryonic Stem Cell Technology

Recent advances in embryonic stem cell (ESC) derivation and genome editing offer efficient platforms for genetic screening. In this issue, Li et al. and Leeb et al., respectively, expand such applications by generating haploid rat ESCs for screening, mutagenesis, and CRISPR-Cas-mediated gene targeting and by developing a forward genetic screen for interrogating haploid mESCs.