新年新突破:日本研究者发现制备多能干细胞的

2019-05-04 02:01 来源:未知

对于身患肌营养不良或其他肌肉萎缩疾病的病人来说,骨骼肌的生长是非常困难的。所幸,根据最近一期《细胞》上的封面报道,波士顿儿童医院干细胞项目的研究者利用斑马鱼筛选出了了能促使干细胞分化成肌肉细胞的化合物。文章的第一作者、来自哈佛医学院的许枞邀请了他的高中好友、插画家使徒子设计了这期《细胞》的封面:

小保方晴子等发表在《自然》上的这两篇备受瞩目的文章,在发布后不足一个月即遭到强烈的质疑。随后,小保方晴子所在的研究机构日本理化学研究所(RIKEN)和《自然》方面分别展开了调查。2014年4月1日,RIKEN宣布最终调查结果,认定小保方晴子存在捏造和篡改共2项学术不端行为。小保方晴子则于4月9日公开道歉,但表示不服RIKEN的判定,并坚持论文所述结果是真实的。更多信息请查看文末的“推荐阅读”部分。

必威体育官网 1这期《细胞》的封面。中国漫画作者使徒子结合研究结果进行了创作,“以复古漫画致敬上世纪20年代美国很流行的一则肌肉广告”。图片来源:cell.com

从肌肉收缩到神经传导,哺乳动物的细胞特化使个体得以行使各种不同的功能。正如专注于某一特定工作的行家很少转行,从一个已分化的细胞类型向另一类型转变的过程也是非常罕见的。然而最近,日本理化学研究所发育生物学实验室的小保方晴子(Obokata  Haruko)和同事发现,将从新生小鼠身上分离的细胞暴露在弱酸性的环境中,能够使细胞恢复到未分化状态,并使其具备分化成任何细胞类型的潜能。小保方晴子团队的两项研究成果都发表在《自然》上。

研究者选出的这些药物能够使小鼠肌卫星细胞(成肌祖细胞)增殖,并能使人的诱导性多能干细胞(iPSC)分化成肌肉组织。人工合成的肌肉组织最有可能被用在治疗战场创伤和运动日常创伤引起的肌肉萎缩症。波士顿儿童医院干细胞项目的负责人莱纳德·索恩(Leonard Zon)希望在未来几年,这些细胞能够并运用到临床试验中,帮助失去肌肉的病人。此外,这项研究所采用的药物筛选方法也能够被应用于其他多种疾病的研究当中。

必威体育官网 2小保方晴子在实验室。图片来源:apital.asahi.com

在这项研究的最初阶段,一种叫做斑马鱼(Danio rerio)的小家伙是主角。索恩和同事将斑马鱼的卵裂球(受精卵分裂而生成的形态上尚未分化的细胞)置于384孔培养板中,向每个孔中加入一种不同的化合物,然后观测斑马鱼的发育。通过基因修饰,研究者令新产生的肌卫星细胞带上绿色荧光标记,而肌纤维则带上红色荧光标记。因此,研究者能够快速对不同样品中的肌肉干细胞和肌纤维进行定量。

之前的研究表明,细胞类型的转换能够利用“细胞重编程”实现——通过在特定条件下引入某些转录因子,研究者可以改变细胞的特化程度。2006年,日本的山中伸弥团队通过调控4种转录因子获得了诱导性多能干细胞(iPSCs)。山中伸弥因此获颁2012年诺贝尔生理学奖,全球的干细胞研究也开始步入新的时代。2013年,北京大学的邓宏魁团队发文称,该团队只用小分子化合物诱导体细胞转化为多能干细胞,得到了“化学诱导多能干细胞”(CiPSCs)。而现在,小保方晴子和同事向世人宣布,纯物理刺激也许已足以实现细胞类型的转变。

必威体育官网 3成年的雌性斑马鱼。斑马鱼体长一般不超过4cm。图片来源:维基百科

小保方晴子和同事通过荧光蛋白监测细胞的多能性,如果目标细胞展现出与多能性相关的基因表达,他们就可以检测到绿色荧光。研究者对不同环境压迫条件下的白细胞进行了检测,发现短期暴露在低pH溶液中的白细胞,有部分激活了多能性标记。研究者将这些细胞收集起来,发现它们具备早期胚胎的基因标记——他们将这种现象称之为“刺激触发的多能性获得”(STAP)。

 “以前的技术,我们得花上几个月时间才能分析完384孔板中的所有数据,但现在有了自动成像仪,一周就能搞定。”索恩说。经过筛选,索恩团队得到了6种能增加骨骼肌干细胞数目的化合物,包括一种名为佛司可林的腺苷酸环化酶激活剂、两种钙蛋白酶抑制剂,以及三种糖原合成酶激酶GSK3β抑制剂。

必威体育官网 4环境胁迫(pH5.7溶液处理约30分钟)使淋巴细胞开始表达多能性基因标记(Oct4)。左:对照组淋巴细胞;右:STAP细胞。图片来源:小保方晴子    

随后,他们与哈佛医学院等其他团队合作,利用杜兴氏肌营养不良的小鼠模型进行实验。“佛司可林(Forskolin),也能使小鼠的肌肉干细胞增多。”索恩说:“我们发现,只要制造更多肌肉干细胞,就能得到更多肌肉。”经过佛司可林处理后,培养的小鼠肌卫星细胞显著增多,在植入小鼠活体后仍能保持成肌活性。

研究者将STAP细胞注射入小鼠胚胎,结果获得了嵌合体小鼠——小鼠的细胞既有由胚胎分化出来的部分,也有从STAP分化出来的部分——嵌合体反映出STAP具有细胞多能性,而这原本被认为是胚胎干细胞和iPSCs所特有的性质。与上述两种干细胞不同,STAP细胞几乎不具备自我更新能力,只能存活几天。不过,当把STAP细胞转移到用于培养多能干细胞的培养基中后,研究者观察到了STAP细胞的增殖,并发现细胞呈现出胚胎干细胞的结构特征与基因表达模式。研究者将以这种方式制备的能够自我更新的STAP细胞称为STAP干细胞。

必威体育官网 5mdx小鼠(杜兴氏肌营养不良的小鼠模型)肌肉的冰冻横切片。红色为层粘连蛋白,绿色为肌卫星细胞。这些肌肉被移植入6000个新分离的肌卫星细胞(左),中图和右图分别表示经二甲基亚砜(DMSO)和经佛司可林处理后,肌肉中6000个肌卫星细胞的增殖情况。图片来源 :Xu et al. Cell. 2013

STAP细胞除了形成胚胎之外,也能够形成滋养细胞,并进一步发育成胎盘——分化成胚外组织的潜能在胚胎干细胞和iPSC中都是很少见的。这意味着,STAP细胞所具有的发育潜能异常广阔。用培养滋养层干细胞的培养基培养STAP细胞,同样能使STAP细胞增殖,并引导它们向类似滋养层干细胞的方向分化。研究者指出,STAP细胞可能代表着胚外组织细胞系与胚胎细胞系分离前的细胞状态,也可能是具有向胚胎或胚外组织分化趋势的两类细胞的集合体,或者就是一种人为造就的不定向细胞类型。

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