Nature：iPS技术——扭转细胞的命运(ZT)

marrowstem

      在很长的一段时间，科学家们都认为一旦细胞发生分化，它就永远无法恢复其全能性。他们猜想必定是由于大量基因以细胞类型特异性的方式开启和关闭，由此决定了干细胞的特性。直至2006年，来自日本京都大学的高桥和敏(Kazutoshi Takahashi)和山中伸弥（Shinya Yamanaka）证明情况并非如此。他们将小鼠皮肤细胞——具体地说，是成纤维细胞——转变为了干细胞。这就是第一批的诱导多能干细胞(iPS)。, x* _% y+ \% i( `" R; K: Y
       如何能够重编程细胞的发育？研究人员认为如果他们能够驱动细胞开启那些干细胞中的活性基因，关闭其他的基因，就能将细胞转变为干细胞。因此他们需要知道哪些基因对干细胞表型至关重要。什么样的基因使得它们成为了干细胞？
1 U+ W6 F6 s: d      科学家们选择了他们认为有可能对干细胞多能性起促进作用的24个基因。他们在小鼠成纤维细胞中以大量不同组合的方式来开启这些基因。最后，他们发现四种转录因子编码基因的组合能够将成纤维细胞转变为iPS细胞。这四种基因是Oct3/4, Sox2, c-Myc和 Klf4。7 v" h7 B  q. o: P6 N
然而，山中伸弥和他的同事们仍需要证明他们的iPS细胞具有全能性，这意味着这些iPS细胞能够以胚胎干细胞的作用方式形成完整的动物。他们将一些iPS细胞注入到一个发育的小鼠胚胎中，证实这些iPS衍生细胞形成了小鼠身体的一部分。另外两个研究小组在同一周内也发布了类似的研究结果。
8 m+ K- A- \8 b1 A      iPS研究竞赛仍在进行中，尽管是山中伸弥开启了比赛的序幕，然而很快一大群的科学家便赶上了山中伸弥研究小组的步伐。现在多名研究人员成功将细胞重编程生成了他们自己的iPS细胞。哈佛大学和其他一些大学现在建立了专门致力于iPS研究的中心部门。iPS细胞的一个重要的优点在于它们无需捐赠胚胎。, f$ B3 o9 T! n
      当几个研究小组在同时探索相同的问题时，科学进程通常会加速。压力驱使他们必须率先发现并发布重要的研究成果，这种动机也会推动干细胞研究领域的发展。不同的研究小组相互印证彼此的研究结果，构建起得到广泛支持的理论，迅速揭露不正确的假说。
/ C4 v2 D4 C8 S7 e       下一个急迫的问题就是能否用人类的组织生成iPS细胞。2007年，3篇研究论文连续快速发表，报告生成了人类iPS细胞。山中伸弥和另一个研究小组沿用了原来的诱导方案，而由Thomson领导的第三个研究小组则采用了不同的技术。! T% l3 I; M7 j1 d
      之后的研究进展飞速。科学家们用了不到6个月的时间即修改了小鼠的iPS方案，将其运用到人类细胞。与之相比较，科学家们从第一次获得小鼠胚胎干细胞到1998年Thomson第一次获得人类胚胎干细胞，经历了长长的17年。
- h+ H; z9 y" w# m8 F. g3 n     研究人员既然知道了如何生成人类iPS细胞，接下来他们就想知道如何改良这一过程。一些方法有可能会对接受干细胞治疗的患者产生危害。两个主要关注的问题就是基因的致癌性，以及介导这些基因的病毒载体的应用。山中伸弥和其他研究小组利用生成iPS细胞的一个基因c-Myc就是一种致癌基因。iPS细胞生成的，体内具有高水平c-Myc蛋白的小鼠频繁地形成了肿瘤，部分原因可能就是c-Myc不仅能促使生成干细胞，也能促成癌性生长。因为干细胞和癌细胞具有相似性，干细胞癌变的可能性成为了科学家们关注的焦点。
+ c  m# [: D) J3 ]/ \     2008年，山中伸弥和同事宣布他们已经设法从方案中剔除了c-Myc。在一系列实验中，他们发现c-Myc并非是生成iPS的必要条件，而不过是加速了这一进程，因此除去c-Myc他们的技术也还是能发挥作用。" f' {! G0 u. Q% T# w2 T% [
     包括Thomson研究团体在内开发的一些早期iPS技术主要依靠病毒载体将新构建的DNA介导到人体细胞中。这些病毒是否存在负效应，激活癌细胞或引起其他一些不良的基因表达？一些研究小组通过开发非病毒技术来绕开这一问题。例如2008年，京都大学的研究人员证实他们能够借助质粒而非病毒介导干细胞基因。
, A! D1 m( E  h5 N4 }" q% W      然而与病毒相似，质粒也可能插入到基因组的错误位置，意外激活癌细胞。为了避免这种风险，研究人员随后创造了另外一种传递干细胞基因的方法。他们首先利用非整合载体或质粒将干细胞基因导入到细胞，一旦细胞转变为多能性细胞就将这些载体或质粒清除。这一改变减少了插入核酸或质粒造成的风险。
4 [* u" T. t/ r6 T, B9 H' `- y     抛弃基因插入技术，依赖于生长培养基中的化学因子改变细胞自身基因组转录来驱动细胞向多能状态转变，或许更加理想。现在，研究人员还在致力于小鼠实验，设法利用化学信号来代替转录因子正常激活的信号。令人惊讶的是，他们找到了一些方法来替代其他的转录因子，唯独除了转录因子Oct3/4。$ C9 c& e1 H6 \8 X' j) V) Q( k* j
（生物通：何嫱）

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           就像胚胎干细胞一样，iPS细胞能够无限分裂并分化形成三个胚层。不同于胚胎干细胞的是，iPS细胞曾经是分化细胞。那么它们有可能会保留作为皮肤细胞或肌肉细胞过往生命的一些遗传或细胞“记忆”吗？近期的研究表明它们确实会以DNA上表观遗传学标记的形式形成记忆。这些标记是指将甲基、乙酰基或其他的化学基团添加到DNA上，导致一些基因关闭，而另一些开启。细胞分化时它们会获得一些表观遗传学标记，而当它们去分化形成iPS细胞时则会保留其中的一些标记。  E. m& h- e% k( K6 ]
       iPS细胞保留了一些记忆，是科学家们偶然发现的。来自哈佛大学的George Daley注意到相比于皮肤细胞生成的iPS细胞，利用血细胞生成的iPS细胞更容易重新分化为血细胞。Daley和其他的研究小组发现iPS细胞保留了原分化细胞的一些表观遗传学标记。那么我们如何才能控制这些标记呢？只有当这些标记去除时，科学家们才能真正地说iPS细胞与胚胎干细胞毫无差异。3 b) s5 R0 {3 B
      将干细胞移植到患者体内包含大量的预期用途。然而对于致癌基因风险的关注让一些科学家们疑虑他们是否应该涉及iPS阶段。如果医生能在治疗中避开多能阶段，有可能风险会更小。最理想的情况就是根本上避免移除和移植细胞。利用药物来触发人体自身的细胞重新分化形成所需的细胞类型，这一切有可能吗？/ F! d4 }8 `$ k; S! ?
     这一想法一开始便看似有理。近期科学家们证明从一种分化细胞类型直接跳到另一种细胞类型是有可能的。这种被称为转分化（transdifferentiation）的技术吸引了大量的科学家对其投入研究。. m; D! G8 Q3 q" J2 u' o. r
      2008年，哈佛大学的Qiao (Joe) Zhou 和 Douglas Melton成功将小鼠的一类胰腺细胞转变为了另一种可生成胰岛素的胰岛β细胞。在I型糖尿病患者中这些胰岛β细胞遭到破坏。在动物体内操作这一过程是有益的，因为它表明新细胞除了在实验室培养皿中也可在自然环境中形成。
6 n+ D) g) n% g5 x" I: E     除开它的医学意义，将胰腺细胞从一种类型转变为另一种类型不过是相似细胞命运间的一步小跳跃。斯坦福大学的Marius Wernig领导研究人员在2010年跨越了更大的一步，将小鼠成纤维细胞转变为了神经元细胞。然而他们生成的神经元细胞与任何一种特定的脑细胞都不完全相同，这些神经元细胞拥有混合的神经特征。在同一年，另一个研究小组成功将成纤维细胞转分化为能生成神经递质多巴胺的特殊神经元类型。多巴胺的功能包括调控运动，缺失这些神经元的人会患上帕金森氏病。
: O. T8 b0 ]. X4 |1 ~    现在研究人员仍不能确定细胞能否直接从一种类型转变为另一种类型，或是否能通过低分化的阶段。然而目前还没有经过检验可靠且能重复的方法。大量的工作尚需要开展将这些细胞应用于详细的研究或医学应用中。* S/ V# F9 d9 c$ M
（生物通：何嫱）

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嘻嘻，看来转分化也做不了救命稻草，投机取巧终归不是捷径！

ying

道路是曲折的，前途是光明的～