冯健教授Nature子刊:p53,细胞重编程的障碍

【字体: 时间:2015年12月09日 来源:生物通

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  来自布法罗大学Jacobs医学与生物医学科学学院的帕金森病研究人员,找到了一种方法促进皮肤细胞转化为多巴胺神经元。他们确定了发生这一细胞转化的一个关键障碍,并找到了一种方法来克服它。同时,研究人员说这一研究发现还将产生深远的影响,改变科学家们利用所有细胞开展研究工作的方式。

  

生物通报道  数十年来,找到一种方法修复有缺陷的多巴胺神经元,并将它们植回患者体内,在那里它们将开始再次生成多巴胺,这一直是帕金森病研究一个难以捉摸的圣杯。一直以来研究人员都是采用难以获得且质量不稳定的胚胎材料。胚胎干细胞代表了一个巨大的创新,但由干细胞生成多巴胺神经元仍是一个漫长且低产的过程(延伸阅读:上海交大刘军副教授Nature Medicine发布帕金森病新文章 )。

这些问题推动了研究人员设法去寻找一些方法,将易于获得的细胞,如皮肤细胞转化为多巴胺神经元。然而,要获得足够数量的神经元仍然是一件困难的事。

现在来自布法罗大学Jacobs医学与生物医学科学学院的帕金森病研究人员,找到了一种方法促进皮肤细胞转化为多巴胺神经元。他们确定了发生这一细胞转化的一个关键障碍,并找到了一种方法来克服它。同时,研究人员说这一研究发现还将产生深远的影响,改变科学家们利用所有细胞开展研究工作的方式。

细胞的“守门人”

发表在12月7日《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的这项新研究,围绕着一个重要的研究发现:转录因子p53充当了守门人蛋白。

论文的资深作者、布法罗大学Jacobs医学与生物医学科学学院生理学与生物物理学系教授冯健(Jian Feng)博士说:“我们发现p53设法维持了细胞的现状,它阻止了一种细胞类型转化为另一种细胞类型。我们发现,p53充当了一种守门人蛋白阻止了细胞转换为另一种类型。在我们降低p53的表达后,事情变得有意思起来:我们可以更容易地将成纤维细胞重编程为神经元。”

冯健说,这一进展对于基础细胞生物学具有重要的意义。“这是一种允许我们将细胞从一种类型转变为另一种类型的通用方法。结果证实,我们可以将细胞当做软件系统来进行处理,当我们除去这一障碍时细胞将发生改变。如果我们能够鉴别出控制一些基因开启和关闭的转录因子组合,我们就可以改变基因组的读取方式,或许能够更迅速地摆弄这一系统,生成与人体内相似的组织,甚至是脑组织。”

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“人们愿意相信事情是按一种分层的方式进行的,我们从单细胞开始,发育为具有40万亿个细胞的成人,但我们的结果表明并没有层级。我们所有的细胞与第一个细胞都具有相同的源代码;这一代码以不同的方式被读取生成了构成人体的所有细胞类型。”

通过细胞转化生成新多巴胺神经元

时机是成功的关键。冯健说:“我们发现,在细胞周期中细胞试图感知环境,确定要进行基因组复制一切已准备就绪前的那个时间点,就是细胞易于发生改变的黄金时段。”

通过在细胞周期适当的时间点下调基因组守门人p53,结合以往研究中发现的转录因子组合,他们能够轻易地将皮肤细胞转化为多巴胺神经元。这些操作开启了Tet1的表达,这一DNA修饰酶改变了基因组的读取方式。

冯健说:“我们的方法比以往的方法更快速、效率更高。过去最好的一种方法需要2周时间才生成5%的多巴胺神经元。采用我们的方法,可在10天内获得60%的多巴胺神经元。”

研究人员已完成了多项实验来证明,这些神经元是功能性的中脑多巴胺神经元——帕金森病中失去的细胞类型。

这一研究发现使得研究人员能够在培养皿中生成患者特异性神经元,其随后可以移植到大脑中修复有缺陷的神经元。此外,它还能够用于有效筛查帕金森病新疗法。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

Cell cycle and p53 gate the direct conversion of human fibroblasts to dopaminergic neurons

The direct conversion of fibroblasts to induced dopaminergic (iDA) neurons and other cell types demonstrates the plasticity of cell fate. The low efficiency of these relatively fast conversions suggests that kinetic barriers exist to safeguard cell-type identity. Here we show that suppression of p53, in conjunction with cell cycle arrest at G1 and appropriate extracellular environment, markedly increase the efficiency in the transdifferentiation of human fibroblasts to iDA neurons by Ascl1, Nurr1, Lmx1a and miR124. The conversion is dependent on Tet1, as G1 arrest, p53 knockdown or expression of the reprogramming factors induces Tet1 synergistically. Tet1 knockdown abolishes the transdifferentiation while its overexpression enhances the conversion. The iDA neurons express markers for midbrain DA neurons and have active dopaminergic transmission. Our results suggest that overcoming these kinetic barriers may enable highly efficient epigenetic reprogramming in general and will generate patient-specific midbrain DA neurons for Parkinson’s disease research and therapy.

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