7月7日，《細(xì)胞研究》(Cell Research)期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所劉光慧課題組、北京大學(xué)湯富酬課題組和中科院動(dòng)物研究所曲靜課題組的聯(lián)合研究成果，首次將基因編輯技術(shù)用于干細(xì)胞的遺傳增強(qiáng)，從而宣布了國際上第一例遺傳增強(qiáng)人類干細(xì)胞(Genetically Enhanced Stem cells，GES細(xì)胞)的誕生。
眾所周知，干細(xì)胞是一類具有自我復(fù)制能力的細(xì)胞，在一定條件下可以分化成多種功能細(xì)胞。那這種新型干細(xì)胞又是什么?
在接受澎湃新聞采訪時(shí)，劉光慧介紹說：“ 遺傳 意味著干細(xì)胞的遺傳密碼被改變了，我們利用基因編輯技術(shù)改寫了人類基因組中的單個(gè)堿基。這種基因組上的改變在干細(xì)胞分裂的過程中，能夠穩(wěn)定地傳遞給子細(xì)胞。”而“增強(qiáng)”指的是，經(jīng)過這一微小的遺傳密碼置換，干細(xì)胞會(huì)“老”得更慢，可以在患者體內(nèi)存活更長時(shí)間，產(chǎn)生更好的再生治療效果。此外，這種干細(xì)胞還能抵抗癌基因的侵?jǐn)_，從而降低轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞的風(fēng)險(xiǎn)。正是因?yàn)橥瑫r(shí)獲得了對細(xì)胞衰老和癌變的抵抗能力，這種干細(xì)胞被稱為“遺傳增強(qiáng)”的干細(xì)胞。
中國科學(xué)院動(dòng)物研究所干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李偉沒有參與這項(xiàng)研究，他向澎湃新聞點(diǎn)評道：“這一發(fā)現(xiàn)對間充質(zhì)干細(xì)胞的臨床轉(zhuǎn)化治療具有重要的價(jià)值，同時(shí)也很好地證實(shí)了利用基因編輯技術(shù)可以促進(jìn)干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，為干細(xì)胞研究提供了值得借鑒的新方法。”
“四兩撥千斤”的核心：轉(zhuǎn)錄因子“NRF2”
據(jù)悉，這種“超級”干細(xì)胞是為了解決目前干細(xì)胞治療中的兩大難題——治療有效性和安全性。劉光慧團(tuán)隊(duì)及其合作者通過基因編輯技術(shù)，僅改變?nèi)祟惢蚪M中的一個(gè)堿基，“四兩撥千斤”地破解這兩個(gè)難題。
而這個(gè)“四兩撥千斤”的關(guān)鍵改動(dòng)是圍繞著名為“NRF2”的轉(zhuǎn)錄因子展開。
轉(zhuǎn)錄因子，顧名思義，是指一種可以協(xié)助遺傳物質(zhì)DNA向RNA轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。在劉光慧與合作者的工作中，他們以藥物篩選的方式，試圖找到與干細(xì)胞衰老有關(guān)的關(guān)鍵因子。這一過程中，他們發(fā)現(xiàn)，篩選出來能延緩人類間充質(zhì)干細(xì)胞衰老的化合物有一個(gè)共同特點(diǎn)——都能激活NRF2這個(gè)抗氧化的轉(zhuǎn)錄因子。
由此，劉光慧團(tuán)隊(duì)猜測，在基因?qū)用嬖鰪?qiáng)NRF2的活性或許能夠延緩人類干細(xì)胞的衰老。
怎樣做最小改動(dòng)來增強(qiáng)NRF2呢?
在之前的研究中，研究人員已經(jīng)知道，細(xì)胞里有名曰“KEAP1”的NRF2抑制蛋白，會(huì)通過結(jié)合并降解NRF2，使其無法發(fā)揮功能。與此同時(shí)，研究人員也已經(jīng)知曉，在NRF2與其抑制蛋白接觸的表面上，有一個(gè)氨基酸很關(guān)鍵，負(fù)責(zé)將NRF2捆綁在抑制蛋白上。
那么，如果這個(gè)關(guān)鍵的氨基酸被替換掉，NRF2是不是就能脫離抑制蛋白的束縛，更好地發(fā)揮功能，保護(hù)細(xì)胞了?
“一石二鳥”
于是，為了證明這一猜想，在人類胚胎干細(xì)胞中，劉光慧團(tuán)隊(duì)使用第三代腺病毒載體HDAdV介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)，置換了NRF2編碼基因的一個(gè)堿基(A245G)。置換后，NRF2果然得以掙脫抑制蛋白的“控制”，大量進(jìn)入細(xì)胞核，激活一系列抗氧化和細(xì)胞保護(hù)基因的表達(dá)，使得干細(xì)胞有了更長的“壽命”。
隨后，劉光慧團(tuán)隊(duì)及其合作者測試了這種經(jīng)過人工改造的干細(xì)胞在體內(nèi)的移植效果。值得一提的是，在干細(xì)胞治療中，胚胎干細(xì)胞因?yàn)闀?huì)形成良性的畸胎瘤而無法被直接使用，由胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化而成的間充質(zhì)干細(xì)胞是更佳的治療材料。
研究人員從液氮罐中取出干細(xì)胞。
因此，劉光慧團(tuán)隊(duì)從上述改造過的人類胚胎干細(xì)胞中分化獲得間充質(zhì)干細(xì)胞，并在小鼠身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，小鼠腿部的大血管被結(jié)扎，出現(xiàn)缺血性損傷。于是，實(shí)驗(yàn)人員向小鼠腿部注入干細(xì)胞，幫助小鼠的傷腿再生出新的血管細(xì)胞，重新構(gòu)建血管系統(tǒng)。結(jié)果顯示，相比于沒有經(jīng)過基因編輯的干細(xì)胞，經(jīng)過遺傳增強(qiáng)的間充質(zhì)干細(xì)胞能更顯著地恢復(fù)傷腿的血液循環(huán)，具有更好的再生治療能力。
遺傳增強(qiáng)人間充質(zhì)干細(xì)胞在小鼠缺血后肢中再生的血管結(jié)構(gòu)。劉光慧 供圖
效果不錯(cuò)，但有沒有安全隱患?這是研究人員無法繞過的科學(xué)問題。
緊接著，劉光慧團(tuán)隊(duì)及其合作者進(jìn)行了安全性評估。令他們驚訝的是，經(jīng)過基因編輯的間充質(zhì)干細(xì)胞雖然具有更強(qiáng)的自我更新能力，但植入小鼠體內(nèi)后不會(huì)形成腫瘤。就算在許多癌基因同時(shí)激活的情況下，它也保持著高度的基因組穩(wěn)定性，對癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化具有很強(qiáng)的“抵抗力”。
更沒想到的是，對于胚胎干細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)畸胎瘤這一問題，他們發(fā)現(xiàn)，比起普通的胚胎干細(xì)胞，經(jīng)過基因編輯的胚胎干細(xì)胞產(chǎn)生畸胎瘤的能力大大被削弱，進(jìn)一步在治療“安全性”上增加了籌碼。
總而言之，通過僅僅置換NRF2編碼基因的一個(gè)堿基，干細(xì)胞既獲得了更強(qiáng)的再生修復(fù)能力，又在很大程度上減少了安全隱患，可謂“一石二鳥”。
遺傳增強(qiáng)的策略可標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、個(gè)性化
這類遺傳增強(qiáng)的“超級”干細(xì)胞具有可標(biāo)準(zhǔn)化和可規(guī)模化的優(yōu)勢，未來或可適用于多種治療場景。目前，研究人員已經(jīng)就這項(xiàng)技術(shù)申請了發(fā)明專利。
但劉光慧也對澎湃新聞謹(jǐn)慎表示，他們猜想，這類細(xì)胞的使用應(yīng)該是有限制的。目前他們已經(jīng)證明這一遺傳增強(qiáng)策略在人類間充質(zhì)干細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞上適用，但尚未在所有細(xì)胞類型中檢測它的有效性和安全性。例如，神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新需要活性氧，而抗氧化轉(zhuǎn)錄因子NRF2增強(qiáng)后，神經(jīng)干細(xì)胞會(huì)不會(huì)受益?這尚是一個(gè)問號。
“我們身體中的任何一種細(xì)胞類型，理論上都有它們喜愛的獨(dú)特的內(nèi)外環(huán)境。”劉光慧說，類似神經(jīng)干細(xì)胞的遺傳增強(qiáng)策略可另做個(gè)性化設(shè)計(jì)。
中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院營養(yǎng)科學(xué)研究所研究員丁秋蓉未參與該項(xiàng)研究，她對澎湃新聞表示，劉光慧及其合作者提出的對干細(xì)胞進(jìn)行“遺傳增強(qiáng)”的策略具有很廣泛的應(yīng)用前景。
“(這)可廣泛用于再生醫(yī)學(xué)，加強(qiáng)對干細(xì)胞移植物的調(diào)控，使其更好地和組織工程等技術(shù)融合，在體外細(xì)胞大規(guī)模制備、類器官功能模塊構(gòu)建，體內(nèi)定向分化、移植入類器官血管化和神經(jīng)化進(jìn)程、機(jī)體微環(huán)境改善和組織修復(fù)等過程中更具導(dǎo)向性和可控性，促進(jìn)其臨床轉(zhuǎn)化。”丁秋蓉說。
“當(dāng)然，遺傳密碼的改變需要很慎重，需要在基于對修改后細(xì)胞特性充分認(rèn)識(shí)，體內(nèi)安全性充分評價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。”丁秋蓉補(bǔ)充Copyright ? 2017 (班德液氮罐) 北京德世科技有限公司 版權(quán)所有 京ICP備17012785號-4
