《Nature》两篇文章报道多能干细胞研究的代价！

天生几乎能分化成任何细胞的“超级细胞”仅限于极早期胚胎中的卵子、精子和原始干细胞。最近《Nature》杂志报道了几项研究证明，体外维持细胞的多能性状态需要付出代价。

　　

生物通报道：早至胚胎发育时期，最终诞生胎儿的那些细胞紧紧地靠在一起，由它们所组成的结构被称为内细胞团（inner cell mas），而这些细胞则被称作多能干细胞（pluripotent stem cells，PSCs）。

天然多能性阶段（pluripotent state）持续时间很短，在小鼠体内仅持续几个小时。而在体外，细胞的这种状态却能维持几周甚至几个月。

 

幼稚多能性（naive pluripotency）是最原始的多潜能状态，在这种状态下PSCs免受体内激酶刺激。为了探索PSCs内部运作，创造能取代疾病细胞的健康细胞，科学家们让细胞稳定在多能性阶段的实验条件已使用多年，其中就包括2i系统（二抑制法），采用两种小分子激酶抑制剂处理PCSs，一种抑制MEK1和MEK2激酶，另一种抑制GSK3激酶。

 

►PCSs自我更新和分化信号通路

 

然而，人工扩展多能性阶段的效果如何呢？近日，两篇《Nature》文章报道，某些体外条件可引起小鼠PSCs发生深层次变化！

 

Choi和Yagi等人发现阻止幼稚PSCs自然进程，哪怕仅培养几个星期都会影响基因表达。其中一种作用方式是通过激活特定基因，同时，其他基因的DNA增加额外甲基化基团使它们转录沉默。

 

►维持多能性的长期影响

 

不同细胞类型，乃至幼稚细胞的DNA甲基化模式一般可以预见。然而，2i处理过的细胞的一些遗传特征甲基化模式出现缺损，包括重复DNA序列或基因的甲基化调节。甲基化信息的缺损直接导致某些本应该表达沉默的基因的异常表达。

 

很多发育障碍都与基因错误表达有关。Choi等人最新发现，2i甚至导致一些细胞获得或丢失了整条染色体。

 

为了观察这些体外异常是否影响体内器官发育，两个研究团队都把体外培养的幼稚PSCs重新注回小鼠胚胎。健康PSCs细胞很容易与原始胚胎细胞融合，甚至可在特定条件下被诱导形成完整胚胎。相比之下，经2i系统处理的细胞随体外培养时间推移逐渐失去了这种能力，注射了这种细胞的胚胎显示发育异常，例如小鼠胎儿过度生长。

 

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用体细胞核移植方法将2i处理细胞核转移到健康去核卵细胞内，原则上所有甲基化模式都将重启。Yagi等人发现，这并不能阻止“人工诱导印迹”导致的相关生长缺陷。Choi和同事证明，所有不良反应主要来自MEK抑制剂，与GSK3抑制剂无关。因此，建议利用幼稚细胞进行疾病模型创建和发育-精神过程的科研工作者们应谨慎使用MEK抑制剂。

 

►体细胞核移植

两篇文章都试图用其他激酶阻断剂取代MEK抑制剂，但效果非常有限。这引发了一系列耐人深思的问题：MEK通路在早期胚胎发育中起什么作用？MEK通路的终点指向何方？如何保护幼稚干细胞的MEK通路？

 

这些问题的答案不仅帮助理解多能性，而且还能解释为什么MEK通路是最常见的癌症突变信号通路。2i处理造成的甲基化损失与体内早期胚胎“印迹区”以外的所有DNA序列自然发生的去甲基化过程类似。这又引申出另一问题——为什么早期胚胎基因组首先要去甲基化呢？重复元件（如转座子）被高度甲基化，也许是它们在早期发育阶段需要被瞬时激活。如果如此，则意味着我们的基因组与某些外来元素之间有着很深的共生关系。

 

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参考文献：

1.Choi, J. et al. Nature Prolonged Mek1/2 suppression impairs the developmental potential of embryonic stem cells (2017).

2.Yagi, M. et al. Nature Derivation of ground-state female ES cells maintaining gamete-derived DNA methylation (2017).

3.Dejosez, M. & Zwaka, T. P. Annu. Rev. Biochem Pluripotency and nuclear reprogramming (2012).

4.Ying, Q. L. et al. Nature The ground state of embryonic stem cell self-ren (2008).

 

（生物通：欧阳沐）