《Cell》全面揭示体细胞重编程的路障

【字体: 时间:2014年07月31日 来源:生物通

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  来自加州大学旧金山分校的一项干细胞研究新发现,也许有一天会促成更简化的程序获得干细胞,转而应用于培育出可替代衰退身体部位的组织。科学家们将他们的研究结果发布在《细胞》(Cell)杂志上。

  

生物通报道  来自加州大学旧金山分校的一项干细胞研究新发现,也许有一天会促成更简化的程序获得干细胞,转而应用于培育出可替代衰退身体部位的组织。科学家们将他们的研究结果发布在《细胞》(Cell)杂志上。

这项研究工作是建立于体细胞重编程基础上。体细胞重编程是指将成体细胞重编程逆转至胚胎状态,使它们重新获得变为所有细胞类型的潜能的一个过程。

或许很快这一过程的效率就能得到提高。加州大学旧金山分校的科学家们鉴别出了,在人类成体细胞中抑制必要的基因活性重编程的一些生物化学信号通路。他们发现,除去这些障碍可以提高干细胞的生成效率(延伸阅读《Cell》揭示细胞重编程障碍 )。

该研究的领导者、加州大学旧金山分校Eli和Edythe Broad再生医学与干细胞研究中心成员、产科学、妇科学和生殖科学副教授Miguel Ramalho-Santos博士说:“我们的新研究工作对于再生医学和癌症研究均具有重要的意义。”

早期的研究发现,取得特化的成体细胞,逆转发育时钟可夺去成熟细胞独特的身份和特征,使得它们变为理论上可用于替代所有组织类型的、永生的可重编程细胞。日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)与英国科学家John Gurdon由此获得了2012年的诺贝尔生理学或医学奖。

一直以来人们都在努力用获取自早期人类胚胎的干细胞来培育组织,这些诱导多能干(iPS)细胞被视作是另一种可供选择的实验方法。尽管人们相信iPS细胞具有良好的前景,并对iPS研究感到十分兴奋,然而成体细胞成功转化为iPS细胞的比例却往往较低,且生成的细胞通常还保留了其早期生命阶段作为特化细胞时的一些痕迹。

研究人员是通过迫使成体细胞内的一些多能性诱导基因(一开始是所谓的“山中伸弥因子”)激活,借助这一过程反转细胞成熟的时钟来生成干细胞。

Ramalho-Santos说:“从发现iPS细胞之时起,人们就认识到衍生iPS细胞的特化细胞并非空白状态。它们自身表达的一些基因有可能抵制了重编程。”

然而迄今为止对于究竟是什么阻碍了重编程却仍知之甚少。“现在,通过采用遗传方法除去多个重编程障碍,我们发现可大大提高iPS细胞的生成效率。这一研究发现将促使加速安全、有效地利用iPS细胞和其他的重编程细胞,”Ramalho-Santos说。

研究人员发现不只单独的基因充当了障碍,还有数组基因协同作用通过不同机制设置了重编程的路障。“在几乎所有的细胞功能水平上,都有一些基因以复杂的协同方式发挥作用对抗了重编程,”Ramalho-Santos说。这些机制有可能帮助了成体细胞维持它们的身份和功能作用。

 “就像英国数学家、作家刘易斯•卡洛尔(Lewis Carroll)在《爱丽丝镜中奇遇记》中描写红皇后所言的情景:‘你必须尽力不停地跑,才能使你保持在原地’。成体细胞似乎付出了极大的努力来维持相同的状态,”他说。

为了揭示这一从前未知的抑制基因活性生物化学矩阵,科学家们必须同时掌握几种不同的实验室技术。他们结合最前沿的遗传、细胞和生物信息学技术,全面鉴别了充当人类iPS细胞生成障碍的基因,并探究了这些新障碍的作用机制。

根据Ramalho-Santos所说,除了维持我们成体组织的完整性,这些障碍基因有可能还在其他的疾病中发挥了重要的作用,其中包括阻止某些癌症。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

Systematic Identification of Barriers to Human iPSC Generation

Reprogramming of somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) holds enormous promise for regenerative medicine. To elucidate endogenous barriers limiting this process, we systematically dissected human cellular reprogramming by combining a genome-wide RNAi screen, innovative computational methods, extensive single-hit validation, and mechanistic investigation of relevant pathways and networks. We identify reprogramming barriers, including genes involved in transcription, chromatin regulation, ubiquitination, dephosphorylation, vesicular transport, and cell adhesion. Specific a disintegrin and metalloproteinase (ADAM) proteins inhibit reprogramming, and the disintegrin domain of ADAM29 is necessary and sufficient for this function. Clathrin-mediated endocytosis can be targeted with small molecules and opposes reprogramming by positively regulating TGF-β signaling. Genetic interaction studies of endocytosis or ubiquitination reveal that barrier pathways can act in linear, parallel, or feedforward loop architectures to antagonize reprogramming. These results provide a global view of barriers to human cellular reprogramming.

 

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