醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞或iPS細(xì)胞生成至關(guān)重要的新蛋白質(zhì)。

之前已經(jīng)證明蛋白質(zhì)NKX3-1在前列腺發(fā)育和腫瘤抑制中起作用。它可以替代干細(xì)胞研究人員Shinya Yamanaka，MD，Ph.D。在2007年首次發(fā)現(xiàn)的四種蛋白質(zhì)中的一種，足以刺激皮膚或血液中的成熟細(xì)胞成為iPS細(xì)胞 - 這是一種已知的轉(zhuǎn)化。干細(xì)胞世界作為重編程。

該發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞重編程的黑盒子中產(chǎn)生了一個(gè)窺視孔，并可能導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生iPS細(xì)胞的新方法。通過使用獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)室模型進(jìn)行重新編程，可以使該過程的最早步驟緊密同步。“這是一個(gè)至關(guān)重要的調(diào)節(jié)因子，不會(huì)被任何其他方式發(fā)現(xiàn)，”微生物學(xué)和免疫學(xué)教授Helen Blau博士說。“它在重新編程開始后兩小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)，然后它就消失了。但這絕對(duì)是至關(guān)重要的。如果我們消除它，重新編程就不會(huì)發(fā)生。”

Blau，Donald E.和Delia B. Baxter基金會(huì)教授以及Baxter干細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室主任，是該研究的高級(jí)作者，該研究于7月16日在線發(fā)表在Nature Cell Biology上。博士后學(xué)者Thach Mai博士是第一作者。

通過僅添加四種蛋白質(zhì)(稱為Yamanaka因子)將成熟細(xì)胞類型(如皮膚細(xì)胞)重編程為多能干細(xì)胞的能力，吸引了科學(xué)界，并在2012年獲得了Yamanaka的諾貝爾獎(jiǎng)。從那時(shí)起，全世界無數(shù)研究人員利用該技術(shù)創(chuàng)造了用于研究或潛在臨床應(yīng)用的iPS細(xì)胞。

希望更安全的重編程細(xì)胞

確定了四種Yamanaka因子-Oct4，Sox2，cMyc和Klf4-因?yàn)樗鼈冊(cè)谛∈蠛腿祟惖呐咛ジ杉?xì)胞中高度表達(dá)。將成熟細(xì)胞類型暴露于這些因素使它們?cè)诎l(fā)育過程中退化，并最終表現(xiàn)得像干細(xì)胞，甚至開始自己表達(dá)Oct4。然而，對(duì)這一過程存在擔(dān)憂，因?yàn)閏Myc和Oct4是致癌基因，當(dāng)在正常細(xì)胞中過表達(dá)時(shí)會(huì)導(dǎo)致癌癥。研究人員認(rèn)為，了解重編程的發(fā)生方式可能使他們能夠找到新的方法來生成臨床使用更安全的干細(xì)胞。

不幸的是，在重新編程的頭幾個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生的大部分事情仍然是一個(gè)謎，部分原因是因?yàn)橹挥写蠹s1/1的細(xì)胞用這些因子成功地經(jīng)歷了轉(zhuǎn)變。而且，那些按照自己的不穩(wěn)定時(shí)間表這樣做的人。

“很難掌握早期監(jiān)管機(jī)構(gòu)重新編程的多能性，”布勞說。“這個(gè)過程是高度異構(gòu)和異步的，所以最早的事件很難研究。”

為了克服這一局限，Mai轉(zhuǎn)向了Blau在20世紀(jì)80年代成功使用的細(xì)胞融合模型，以顯示當(dāng)與小鼠肌纖維結(jié)合時(shí)，專門的人類細(xì)胞，例如肝臟和皮膚中的細(xì)胞，可以表達(dá)肌肉特異性基因。當(dāng)時(shí)，結(jié)果提供了第一個(gè)證據(jù)，即成年細(xì)胞可以在正確的條件下誘導(dǎo)，以承擔(dān)完全不同的細(xì)胞命運(yùn)。

在這項(xiàng)新研究中，Mai將稱為成纖維細(xì)胞的人體皮膚細(xì)胞融合到小鼠胚胎干細(xì)胞中。融合后，發(fā)育靈活的干細(xì)胞中的因子可以快速有效地重新編程成纖維細(xì)胞核沿著可預(yù)測(cè)的，研究合適的時(shí)間線。融合細(xì)胞被稱為異核體，它們使Mai及其同事能夠在重編程的最初24小時(shí)內(nèi)密切跟蹤基因表達(dá)和DNA修飾的模式。

利用異核體模型，研究人員發(fā)現(xiàn)NKX3-1在重編程開始后約兩小時(shí)內(nèi)表達(dá)，但很快消失。如果蛋白質(zhì)的表達(dá)被阻斷，Yamanaka因子不再能夠重編程人成纖維細(xì)胞，這表明NKX3-1在成體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞中起著至關(guān)重要的作用。研究人員還發(fā)現(xiàn)外部添加的NKX3-1可替代Oct4重編程細(xì)胞而不會(huì)降低效率。

最后，他們還表明NKX3-1表達(dá)是觸發(fā)細(xì)胞表達(dá)其自身Oct4蛋白和促進(jìn)其他促進(jìn)重編程的遺傳變化所必需的。

深入研究

現(xiàn)在，Blau和她的同事們與遺傳學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授Anshul Kundaje博士合作，計(jì)劃繼續(xù)研究使用多管齊下的“基于組學(xué)”方法重編程為多能性的最早步驟。

“我們的目標(biāo)是研究監(jiān)管邏輯的所有方面，或'語法'，這是細(xì)胞重編程為多能性的基礎(chǔ)，”布勞說。“重新編程完全改變了細(xì)胞的命運(yùn)。我們希望了解調(diào)解這種顯著變化的機(jī)制和信號(hào)傳導(dǎo)途徑。”