挑战细胞分化宿命:细胞重编程又出新法

　　在生物医药领域具有划时代意义的是，只需共表达4个基因就可将胚胎成纤维细胞(fibroblast)和成体成纤维细胞重编程为多能干细胞，这项研究使得英国、日本2位科学家获得2012年诺贝尔生理学或医学奖，激起了科学家对细胞重编程技术的空前热情。

　　在这项开创性发现之后，科学家在很短时间内提出了灵活性更高的策略去起草细胞重编程准则，以实现节约时间和成本的同时还具有安全性。正如加州大学旧金山分校研究员Sheng Ding博士称：“目前我们在干细胞研究领域的一个重点是，直接将成纤维细胞重编程为组织特异性细胞，其间不需要去分化成多能状态，这样降低了癌化风险。”

　　近来Ding博士和同事研发出2种不同的细胞重编程模式，一种是依赖细胞特异性因子将成纤维细胞重编程为期望的细胞类型;另一种是短时期内用通用性重编程因子诱导成纤维细胞以使其在表观遗传水平上活化，最终接触不同信号而分化完全。

　　Ding博士和同事利用细胞重编程技术诱导出心肌细胞、神经祖细胞和血管内皮细胞(没有经过去分化这一中间步骤)，该过程类似于一些物种体内通过短暂、低水平表达干细胞因子实现再生。Ding博士称：“随着深入的研究，我们证实了通过直接重编程可诱导胰腺细胞和肝细胞。”

　　异质性仍然存在

　　波士顿儿童医院的血液学和肿瘤学教授George Q. Daley博士称：“具有长远价值的是，开发出重编程策略以提供医用细胞。” 近期他所在的研究小组发现了，高度保守的Notch信号通路在人体胚胎干细胞和诱导多能干细胞(IPSC)分化成血细胞的早期阶段发挥关键作用。这项发现提供了对血细胞分化命运的新认识。

　　细胞疗法已成为针对遗传性血细胞疾病的很有前景的治疗方法，不过安全性(一部分是因为可能引起的免疫反应)是一个制约因素，而使用诱导多能干细胞(遗传缺陷被修正)可避开安全性问题。值得注意的是，细胞重编程过程中并非所有的IPSCs细胞都是相同的，其中研究人员发现了克隆体异质性以及可区分胚胎干细胞和IPSC的重大功能差异，而这些功能差异可由遗传因子和表观遗传因子共同决定。

　　Daley博士补充道，“让人苦恼的是一些干细胞类型很难预测，我们还不能充分地理解干细胞的异质性现象。对于一些细胞类型，干细胞的差异化和异质性构成了临床应用的重大障碍。”

　　Daley博士和同事正专注于利用重编程技术生产可供干细胞疗法的血小板。他说，“我们尝试确认需要生成多少种细胞系，才可发现一种期望的、性能理想的干细胞，从而降低极高的生产成本。”

　　甲基化的复杂干扰

　　霍普金斯大学医学院分子医学教授Andrew P. Feinberg博士称，“约十年前，我和Rafael Irizarry博士研发出基因组水平的、基于阵列的新方法，可科学地观察一大段DNA的甲基化图谱。这一方法让研究人员发现，组织特异性的甲基化DNA 处在距离CpG岛(CpG islands)有2千个碱基的CpG岛岸(CpG island shores)，而非之前认为的处于CpG岛之内。此外，全基因组水平上测序二硫化物后发现，肿瘤细胞中甲基化模式发生错乱，表现在甲基化区域远离或靠近 CpG。”

　　从基因组水平理解疾病甲基化获得一些进展。通过对同一患者的大肠癌和正常大肠黏膜进行比较，研究人员发现在肿瘤细胞中约一半的基因组DNA出现高甲基化。而对应LOCKs结构(染色质赖氨酸修饰部位)的基因组片段与核纤层蛋白相关的基因组片段具有高达80%的重叠率，这些片段在正常细胞中高度甲基化，在分化过程中片段增长，而在肿瘤中却丢失。

　　Feinberg explains博士称，“总的说来，这项研究揭示了比之前认识更为复杂的、处于恶性肿瘤阶段的表观遗传特征：甲基化模式通常出现错乱。通过从结构方面观察基因组甲基化，研究人员发现了大量重叠区域，这些区域在一些肿瘤细胞和重编程干细胞中发生改变，并强关联于组织特异化过程中甲基化DNA区域。”

　　研究人员指出，从表观遗传学水平上看，肿瘤细胞可获得像其它组织类型一样的甲基化模式，而利用试验法和模型法去整合相关研究，Feinberg和同事揭示了甲基化特征不能从本质上定义肿瘤细胞，具有一定的随机性。

　　早期阶段的癌细胞

　　宾夕法尼亚Perelman医学院大学细胞和发育生物学教授Kenneth S. Zaret 博士称，“我们发现了胰腺早期病变过程中选择性分泌的多种蛋白质，这可扭转因无法敏锐预测胰腺癌而延误病情的不利状态，约6%的病人有5年的生存期。”

　　为了建立试验系统，Zaret博士和同事将胰腺导管癌细胞重编程为多能干细胞状态，并假设一些细胞随后会再分化成胰腺组织以及重新完成肿瘤形成的早期阶段。尽管多数来自肿瘤样本的细胞没有出现癌化基因型，一种细胞系生成了胰腺上皮癌变前体细胞，并在小鼠模型中发展到侵入性阶段。

　　Zaret 博士说：“这种方法让我们通过筛查多种肿瘤获得一种非常罕见细胞系，从而可识别其中发生的罕见的遗传事件。通过将处于早期阶段的人体肿瘤细胞导入小鼠模型中，可发现生物标记物以预测肿瘤是否进入侵入性阶段。此外，在体外培养早期阶段癌变细胞，也可从蛋白质组水平分析可作为潜在标记物的分泌蛋白，并最终在侵入性癌变小鼠的血液中进行验证。”

　　这一方法揭示出三种分子HNF4α、 TGFβ和 integrin 共同作为生物标记物以预测胰腺癌早期进展。