诱导性多能干细胞最新研究进展（一）
时间：2017-09-07
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干细胞是人体内一种尚未分化的细胞，根据分化阶段可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞的活性极强，是最终演化成人体的干细胞。科学实验证实干细胞可应用于疾病治疗时，胚胎干细胞的伦理道德性受到极大争议，因此需要其他细胞代替，诱导性多能干细胞（iPS细胞）应运而生。
干细胞是人体内一种尚未分化的细胞，根据分化阶段可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞的活性极强，是最终演化成人体的干细胞。科学实验证实干细胞可应用于疾病治疗时，胚胎干细胞的伦理道德性受到极大争议，因此需要其他细胞代替，诱导性多能干细胞（iPS细胞）应运而生。
2007年11月，由中国科学家俞君英领衔的Thompson实验室和山中伸弥实验室几乎同时报道，成功地诱导人皮肤纤维母细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的iPS细胞，所不同的是日本实验室依然采用了用逆转录病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四种因子组合，而Thompson实验室采用了以慢病毒载体引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28这种因子组合。
相比于胚胎干细胞，iPS细胞不会产生伦理问题，而且利用宿主自身的成体细胞（如皮肤细胞、血细胞等）经重编程变成iPS细胞，将它们移植回相同个体，应该有可能不会引发免疫反应，此外iPS细胞非常适合用来构建疾病模型，不过将iPS细胞用于治疗时也有风险：让iPS细胞移植到体内时有可能会产生肿瘤。
1.Science子刊：源自雌性奄美刺鼠的诱导性多能干细胞能够分化为精细胞或卵母细胞
在大多数哺乳动物中，雌性动物具有两条X染色体，雄性动物具有一条X染色体和一条Y染色体。但是，雄性和雌性奄美刺鼠（Tokudaia osimensis）仅携带单条X染色体。奄美刺鼠是日本一个岛屿土生土长的频危啮齿类动物。在一项新的研究中，来自日本宫崎大学等研究结构的研究人员将来自一只雌性奄美刺鼠尾巴的成纤维细胞重编程为诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS细胞）。这些iPS细胞在一种宿主有机体（即小鼠-奄美刺鼠嵌合体）中能够分化为雌性和雄性生殖细胞。相关研究结果发表在2017年5月12日的Science Advances期刊上，论文标题为“Flexible adaptation of male germ cells from female ipsCs of endangered Tokudaia osimensis”。论文通信作者为宫崎大学研究员Arata Honda。
这些研究人员在体外培养了来自一只雌性奄美刺鼠尾巴的成纤维细胞。在尝试过多种诱导条件和培养条件后，他们获得奄美刺鼠ips细胞系。他们将这些细胞系移植到小鼠囊胚中，随后将它们注射到代孕母小鼠中。
这些研究人员利用一种荧光标记追踪这些注射的iPS细胞，并且确定大约四分之一的胚胎和幼鼠是嵌合体。当研究成年嵌合体时，他们在多种组织（包括棕色的奄美刺鼠皮肤和毛发）中发现了iPS细胞。iPS细胞也产生精细胞和卵母细胞，但是由奄美刺鼠ips细胞产生的这些生殖细胞数量是比较低的。
2.Nature：构建出英国最大的人诱导性多能干细胞库，揭示出常见基因变异
在一项新的研究中，一个包括英国韦尔科姆基金会桑格研究所在内的联盟构建出英国最大的高质量的源自健康人的人诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC, iPS细胞）库。这个iPS细胞库包含上百种干细胞系。在经过全面地标注之后，这些干细胞系可供独立研究，是科学家们研究人发育和疾病的一种强大的资源。相关研究结果于2017年5月10日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Common genetic variation drives molecular heterogeneity in human iPSCs”。
人诱导性多能干细胞计划（Human Induced Pluripotent Stem Cell Initiative, HipSci）利用标准化方法大规模地构建iPS细胞来研究健康人之间的差别。利用301名健康志愿者捐献的皮肤活组织构建参考干细胞库，并且构建来自每个人的多种干细胞系。
这些研究人员构建出711种干细胞系，并且获得关于它们的基因组、它们表达的蛋白和每个干细胞系的细胞生物学特征的详细信息。学术研究人员和产业人员能够获得HipSci产生的干细胞系和数据。
论文共同通信作者、伦敦国王学院研究员、HipSci副首席科学家Fiona Watt教授说，“很多构建干细胞的其他努力着重关注罕见疾病。在我们的研究中，我们构建出来自上百名健康志愿者的干细胞系来研究常见的基因变异。我们能够证实来自同一个人的多种iPS细胞系具有类似的特征，并且揭示出我们在iPS细胞系中观察到的高达46%的差异是由于个人之间的差异。这些数据将允许研究人员以健康人为参照研究疾病变异。”
3.两项研究利用人诱导性多能干细胞产生肺细胞，研究肺部疾病
利用一台流式细胞仪，Hawkins和他的同事们从利用ipsC产生的细胞混合物中分离出发出绿色荧光的肺细胞，随后在一种基质中培养它们。Hawkins说，结果就是形成微小的发出绿色荧光的球体，该球体长大约0.5毫米，“由纯的早期肺细胞群体组成”。Hawkins团队将这种微小的球体称为“类器官（organoids）”，这种类器官含有关键的肺细胞类型。这种类器官允许科学家们详细地研究人肺部发育中的关键时刻。Hawkins说，“我们已发现在小鼠等其他物种中控制肺部发育的很多基因也在这些人肺细胞中表达。”
在第二项研究中，论文共同作者、CReM博士生Katherine McCauley对囊性纤维化感兴趣。囊性纤维化是一种由单个基因CFTR发生突变导致的肺部疾病。这种突变导致病人的肺部产生厚厚的粘稠的粘液，从而导致感染和炎症，最终导致肺功能衰竭。对很多病人而言，没有治愈这种疾病的方法。
研究这种疾病最早阶段的McCauley想要利用Hawkins纯化出的肺细胞开展下一步研究，和找出它们如何变成气道细胞。通过很多辛苦的实验，她着重关注Wnt信号通路。已知这种信号通路在小鼠肺部发育中发挥着重要的作用。通过关闭这个信号通路，她指导这些未成熟的肺细胞变成气道细胞。随后，她将它们培养成微小的“支气管球体”。
作为一项概念验证，McCauley从一名囊性纤维化病人体内获得两种细胞系：一种细胞系携带着导致这种疾病的CFTR突变，但已被校正；另一种细胞系也携带这种突变，但未被校正。她将这些细胞系培养成支气管球体。为了观察她的方法是否起作用，她开展测试，并且使用应当导致由正常的功能性细胞组成的支气管球体充满液体的药物。它确实起作用了：这些得到“校正的”支气管球体对这种药物作出反应，开始变得肿胀起来，而未得到校正的支气管球体并不会作出反应。McCauley说，“精彩的地方在于我们利用高通量显微镜对这一点进行测量，随后我们计算了支气管球体面积随着时间的变化。因此，我们如今能够定量地评价CFTR功能。”
4.Cell：深入认识诱导性多能干细胞产生过程
在一项新的研究中，来自美国加州大学洛杉矶分校伊莱和伊迪特-布罗德再生医学与干细胞研究中心的研究人员证实特定蛋白如何能够改变皮肤细胞的身份或者说细胞特征，和产生诱导性多能干细胞（iPS细胞）。ips细胞能够转化为体内任何一种细胞类型。这项研究可能影响治愈疾病的健康组织形成。相关研究结果发表在2017年1月26日那期Cell期刊上，论文标题为“Cooperative Binding of Transcription Factors Orchestrates Reprogramming”。
通过一种涉及加入被称作转录因子的蛋白的过程，组织特异性细胞经重编程返回到一种多能性状态。四种特定的转录因子（Oct4, Sox2, Klf4和cMyc）通常用于这种重编程过程中。这些转录因子导致组织特异性细胞关闭它自己的身份和激活多能性细胞的特征。然而，科学家们并没有详细地了解这四种转录因子如何影响这种过程。特别地，这些转录因子如何抑制组织特异性细胞的身份是不清楚的，这是因为它们通常并不作为抑制剂发挥功能。
在这项新的研究中，研究人员将这四种转录因子加入到小鼠皮肤细胞中，绘制这些转录因子与这种细胞DNA的相互作用图谱。他们鉴定出改变细胞身份的DNA位点，从而获得关于这些DNA位点如何对这些细胞产生这种影响提供独特的认识。当他们分析这些数据时，他们取得两项关键的发现：这些转录因子同时地关闭小鼠皮肤细胞的身份和激活多能性；在这四种转录因子中，有三种转录因子需要合作定位和调节这些DNA位点。
进一步地，研究人员利用这些数据预测哪些额外的转录因子可能增强这种细胞重编程过程，随后加入第五种转录因子到这些小鼠皮肤细胞中。这种新的转录因子组合更加高效地抑制这些组织特异性细胞的身份，这会加快转变到多能性状态，100倍地增加这种细胞重编程过程的效率。
5.利用iPS细胞和ES细胞制成可吸收营养并蠕动的微型小肠
日本国立成育医疗研究中心等组成的研究小组，利用人类胚胎干细胞（ES细胞）和多功能干细胞（ips细胞），培育出1厘米左右的小肠，并观察到其成功吸收营养的动作。这是世界上第一次成功做到上皮组织、肌肉、神经等细胞协同联动。
为了将细胞培养成立体化的组织，研究小组将ES细胞置于拥有格子状微小圆型接触面的培养器皿中，再加入许多促进生长的蛋白质，进行培养。一个月后，形成了约800个圆柱状的组织；再经一个月后，形成了"微肠"；对"微肠"进行研究后，发现其作出了通过收缩将食物向外排送的"蠕动"，并且对蛋白质进行了吸收；接着，将该组织移植到老鼠肾脏，发现两个月后该组织依然存活。研究小组利用人类的ips细胞也成功制作了同样的组织。
美中不足的是，培育出的组织中没有血管和具有免疫功能的淋巴节。目前研究人员首先想将该组织用于药品评价中，用患者ips细胞制作出肠道，一边破解其发病机理，一边考虑移植应用。这一技术估计10年后应用于临床。
这一成果发表于1月12日美国《临床研究学会杂志》电子版。