清华丁胜团队Nature发文:孕育生命,不一定非要生殖细胞

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新智元报道

编辑:David Joey

【新智元导读】清华大学药学院丁胜团队Nature发文,让创造个体新生命成为可能,无需生殖细胞。

最近,清华大学团队在诱导干细胞研究上传来捷报!

6月21日,清华大学丁胜、刘康及马天骅作为共同通讯作者,在 Nature 上在线发表题为「Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail」的研究论文。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04967-9

该研究展示了通过三种小分子 TTNPB、1-Azakenpaulllone 和 WS6 的组合可以将小鼠的多能干细胞(PSC)诱导成具备转变为完整有机体潜能的全能干细胞(TotiSCs),而且可以在实验室中保持这些诱导的细胞的全能型。

干细胞是指能够分化的细胞,这种细胞的能力,用通俗的话讲,就是可以变成其他类型的细胞。

根据干性的不同,干细胞可分为专能干细胞、多能干细胞,全能干细胞等。专能干细胞可以变成专门的一类功能细胞,比如造血干细胞。多能干细胞可以发育成多种细胞。

而全能干细胞,是指具有全部分化潜能,能分化成所有胚内和胚外组织和器官的干细胞。

这次清华团队在Nature上发的成果,就是通过药物,把小鼠的多能干细胞人工诱导成为全能干细胞。

诱导多能干细胞的相关研究成为热点,要从2012年日本生物学家山中伸弥获得诺奖开始。

山中伸弥开创诱导干细胞研究先河

2003年,山中在科学技术振兴机构(JST)的支援下,获得5年3亿日元的研究经费,悉数投入到研究中。最后终于在该校成功开发出iPS细胞,2004年山中前往京都大学任教。

2007年,山中成功培养出了只需在人类的皮肤细胞基因中插入4种基因即可获得与胚胎干细胞相同的功能的iPS细胞。在世界顶级医学研究期刊《细胞》上发表论文后,引起了全世界的广泛关注。

他选择了4个关键转录因子(Sox2,Oct4,Klf4和c-Myc),然后用病毒载体将其录入到细胞中,然后将小白鼠胚胎成纤维细胞或成体成纤维细胞转化为多能性干细胞。

2012年,山中伸弥因「发现成熟细胞可被重写成多能细胞」与英国科学家约翰·格登共同获得诺贝尔生理学或医学奖。

全球医学研究人员曾认为无法以人工培养的方式制造出ES细胞,所以被这项成就震惊了。

iPS细胞与胚胎干细胞拥有相似的再生能力,理论上可以分化为成体的所有器官、组织。

而相比胚胎干细胞,iPS细胞面临的伦理道德争议较小,且应用该技术可以产生基因型与移植受体完全相同的干细胞,规避了排异反应的风险

另一条路线:化学转录因子

然而,山中的方法使用的生物转录因子,还有很多问题没解决。

比如他用的4个因子中,包括癌症因子c-Myc,转录因子Klf4,用的是病毒载体,属于是「毒上加毒」了。要进一步发育,不是畸形就是癌症。

而这次丁胜团队研究的成果,则是利用化学因子实现的。

丁胜教授实验室团队

清华团队筛选了数千个化学小分子组合,发现并确定了其中一种组合TAW——三种小分子 TTNPB、1-Azakenpaullon 和 WS6。

通过转录组相关和差异表达基因(DEGs)分析发现,这一组合可以将小鼠多能干细胞诱导成最接近小鼠2C胚胎期的细胞,即具有全能特性的干细胞,并加以稳定培养。

筛选能够诱导全能性标志物MERVL-tdTomato的小分子过程示意图

为进一步证明化学诱导的干细胞ciTotiSCs具有真正的全能性,该研究将其注射到小鼠早期胚胎中以观察其体内的分化潜力,并分析了着床前和着床后胚胎发育不同时间点的谱系贡献。

研究发现,该诱导细胞表现出双向发育潜力,在培养皿和体内都能产生胚胎和胚胎外细胞,具备普通全能干细胞的典型特征。

ciTotiSCs(化学诱导全能干细胞)对胚胎发育阶段的支持

该研究以化学方法定向诱导并稳定培养全能干细胞,为从非生殖细胞中控制和理解全能性提供了一种新的体外定向诱导的方法,这将成为再生医学的极大助力,对于实现人体器官的体外再生以及创造或复原生命有着重大的意义。

论文的共同通讯作者之一、清华大学药学院院长、拜耳特聘教授丁胜表示:

「这项研究表明,研究人员能够在实验室中保持诱导所产生细胞的全能性(胚内和胚外分化潜力),为后续研究提供一个稳定的系统,从而使更多关于生命起源的科学研究成为可能。」

丁胜,清华大学首任药学院院长、拜耳特聘教授。于1999年在加州理工学院获得化学学士学位,并于2003年在斯克里普斯研究所获得化学博士学位。

长期专注于干细胞领域,是开发和应用全新化学手段研究干细胞和再生医学的引领者,一直致力于发现和鉴定可以调控细胞命运和功能(例如,不同发育阶段及不同组织中干细胞的维持、激活、分化和重编程)的小分子化合物。

据清华大学药学院官网介绍,丁胜教授的研究成果主要有:

1、发现了一系列小分子化合物,能够在诱导多能干细胞(iPS细胞)产生的过程中,取代外源转录因子和显著提高重编程的效率/速度。通过研究这些小分子化合物,揭示了重编程过程的新机制。

2、开发了一种全新的细胞转分化技术(即谱系特异性重编程),在包含小分子化合物的特定条件下,可以把成纤维细胞转变为能够扩增的心脏、神经、血管内皮、胰腺和肝脏细胞。

3、发现并从机制上鉴定了多个全新的小分子化合物,可以用于替换维持胚胎干细胞自我更新的生长因子,促进胚胎干细胞的生存,或者诱导胚胎干细胞向神经、心脏和定形内胚层谱系的分化。

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04967-9%E2%80%8B

https://finance.people.com.cn/n1/2022/0622/c1004-32453465.html

https://www.zhihu.com/question/538936805

https://www.sohu.com/a/560172080_116132

https://mp.weixin.qq.com/s/u1aLERuu5SsO__W5cxPaQQ