挑戰細胞分化宿命:細胞重編程又出新法

　　在生物醫藥領域具有劃時代意義的是，只需共表達4個基因就可將胚胎成纖維細胞(fibroblast)和成體成纖維細胞重編程為多能干細胞，這項研究使得英國、日本2位科學家獲得2012年諾貝爾生理學或醫學獎，激起了科學家對細胞重編程技術的空前熱情。

　　在這項開創性發現之后，科學家在很短時間內提出了靈活性更高的策略去起草細胞重編程準則，以實現節約時間和成本的同時還具有安全性。正如加州大學舊金山分校研究員Sheng Ding博士稱：“目前我們在干細胞研究領域的一個重點是，直接將成纖維細胞重編程為組織特異性細胞，其間不需要去分化成多能狀態，這樣降低了癌化風險。”

　　近來Ding博士和同事研發出2種不同的細胞重編程模式，一種是依賴細胞特異性因子將成纖維細胞重編程為期望的細胞類型;另一種是短時期內用通用性重編程因子誘導成纖維細胞以使其在表觀遺傳水平上活化，最終接觸不同信號而分化完全。

　　Ding博士和同事利用細胞重編程技術誘導出心肌細胞、神經祖細胞和血管內皮細胞(沒有經過去分化這一中間步驟)，該過程類似于一些物種體內通過短暫、低水平表達干細胞因子實現再生。Ding博士稱：“隨著深入的研究，我們證實了通過直接重編程可誘導胰腺細胞和肝細胞。”

　　異質性仍然存在

　　波士頓兒童醫院的血液學和腫瘤學教授George Q. Daley博士稱：“具有長遠價值的是，開發出重編程策略以提供醫用細胞。” 近期他所在的研究小組發現了，高度保守的Notch信號通路在人體胚胎干細胞和誘導多能干細胞(IPSC)分化成血細胞的早期階段發揮關鍵作用。這項發現提供了對血細胞分化命運的新認識。

　　細胞療法已成為針對遺傳性血細胞疾病的很有前景的治療方法，不過安全性(一部分是因為可能引起的免疫反應)是一個制約因素，而使用誘導多能干細胞(遺傳缺陷被修正)可避開安全性問題。值得注意的是，細胞重編程過程中并非所有的IPSCs細胞都是相同的，其中研究人員發現了克隆體異質性以及可區分胚胎干細胞和IPSC的重大功能差異，而這些功能差異可由遺傳因子和表觀遺傳因子共同決定。

　　Daley博士補充道，“讓人苦惱的是一些干細胞類型很難預測，我們還不能充分地理解干細胞的異質性現象。對于一些細胞類型，干細胞的差異化和異質性構成了臨床應用的重大障礙。”

　　Daley博士和同事正專注于利用重編程技術生產可供干細胞療法的血小板。他說，“我們嘗試確認需要生成多少種細胞系，才可發現一種期望的、性能理想的干細胞，從而降低極高的生產成本。”

　　甲基化的復雜干擾

　　霍普金斯大學醫學院分子醫學教授Andrew P. Feinberg博士稱，“約十年前，我和Rafael Irizarry博士研發出基因組水平的、基于陣列的新方法，可科學地觀察一大段DNA的甲基化圖譜。這一方法讓研究人員發現，組織特異性的甲基化DNA 處在距離CpG島(CpG islands)有2千個堿基的CpG島岸(CpG island shores)，而非之前認為的處于CpG島之內。此外，全基因組水平上測序二硫化物后發現，腫瘤細胞中甲基化模式發生錯亂，表現在甲基化區域遠離或靠近 CpG。”

　　從基因組水平理解疾病甲基化獲得一些進展。通過對同一患者的大腸癌和正常大腸黏膜進行比較，研究人員發現在腫瘤細胞中約一半的基因組DNA出現高甲基化。而對應LOCKs結構(染色質賴氨酸修飾部位)的基因組片段與核纖層蛋白相關的基因組片段具有高達80%的重疊率，這些片段在正常細胞中高度甲基化，在分化過程中片段增長，而在腫瘤中卻丟失。

　　Feinberg explains博士稱，“總的說來，這項研究揭示了比之前認識更為復雜的、處于惡性腫瘤階段的表觀遺傳特征：甲基化模式通常出現錯亂。通過從結構方面觀察基因組甲基化，研究人員發現了大量重疊區域，這些區域在一些腫瘤細胞和重編程干細胞中發生改變，并強關聯于組織特異化過程中甲基化DNA區域。”

　　研究人員指出，從表觀遺傳學水平上看，腫瘤細胞可獲得像其它組織類型一樣的甲基化模式，而利用試驗法和模型法去整合相關研究，Feinberg和同事揭示了甲基化特征不能從本質上定義腫瘤細胞，具有一定的隨機性。

　　早期階段的癌細胞

　　賓夕法尼亞Perelman醫學院大學細胞和發育生物學教授Kenneth S. Zaret 博士稱，“我們發現了胰腺早期病變過程中選擇性分泌的多種蛋白質，這可扭轉因無法敏銳預測胰腺癌而延誤病情的不利狀態，約6%的病人有5年的生存期。”

　　為了建立試驗系統，Zaret博士和同事將胰腺導管癌細胞重編程為多能干細胞狀態，并假設一些細胞隨后會再分化成胰腺組織以及重新完成腫瘤形成的早期階段。盡管多數來自腫瘤樣本的細胞沒有出現癌化基因型，一種細胞系生成了胰腺上皮癌變前體細胞，并在小鼠模型中發展到侵入性階段。

　　Zaret 博士說：“這種方法讓我們通過篩查多種腫瘤獲得一種非常罕見細胞系，從而可識別其中發生的罕見的遺傳事件。通過將處于早期階段的人體腫瘤細胞導入小鼠模型中，可發現生物標記物以預測腫瘤是否進入侵入性階段。此外，在體外培養早期階段癌變細胞，也可從蛋白質組水平分析可作為潛在標記物的分泌蛋白，并最終在侵入性癌變小鼠的血液中進行驗證。”

　　這一方法揭示出三種分子HNF4α、 TGFβ和 integrin 共同作為生物標記物以預測胰腺癌早期進展。