对人多能性干细胞进行定制化转录因子编程,产生数百种分化细胞

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诱导性多能干细胞(iPS)有潜力转化为多种细胞类型和组织,用于药物测试和细胞替代疗法。然而,这种转化的“配方”往往很复杂,难以实现。在一项新的研究中,来自德国德累斯顿工业大学再生治疗中心、波恩大学和美国哈佛大学的研究人员发现了一种利用转录因子系统性地从ips细胞中快速和轻松地获取神经元、结缔组织细胞和血管细胞等数百种不同细胞的方法。他们通过非营利组织Addgene获得这些转录因子。相关研究结果近期发表在Nature Biotechnology期刊上,论文标题为“A comprehensive library of human transcription factors for cell fate engineering”。

图片来自Nature Biotechnology, 2020, doi:10.1038/s41587-020-0742-6。
这些研究人员对结缔组织细胞进行重编程使之转变为人iPS细胞。在原则上,iPS细胞可以用来获得从神经元到血管细胞的各种分化细胞。论文共同通讯作者、德累斯顿工业大学再生治疗中心的Volker Busskamp教授解释说,“大多数分化方案都非常费力和复杂。不可能在单一培养物中以可控的方式同时从ips细胞中获得不同类型的细胞。”

这些研究人员想要用简单的“配方”取代复杂的分化方案。通过大规模的筛选过程,他们共发现了290种可以快速有效地将iPS细胞重编程为靶细胞的DNA结合蛋白。他们能够证实,在每种情况下,只需一种转录因子就足以在4天内让ips细胞发生分化而产生神经元、结缔组织细胞、血管细胞和神经胶质细胞。神经胶质细胞作为“绝缘体(insulator)”包被着神经元。

干细胞分化的基因开关

这些研究人员利用自动化过程,将各自的转录因子和其他控制元件的DNA序列导入iPS细胞基因组中。所导入的转录因子可以通过添加小分子来激活,从而使得一些经过基因改造的iPS细胞转化为分化细胞,随后就可以利用细胞标志物区分和自动分类干细胞和分化细胞。他们随后研究了相比于干细胞,分化细胞中某种转录因子的含量有多少。Busskamp解释说,“差异越大,各自的转录因子似乎对ips细胞转化为分化细胞越重要。”

这些研究人员用这种方法在三种不同的干细胞系上共测试了1732种潜在的转录因子。他们发现,290种不同的转录因子对iPS细胞转化为分化细胞有影响。这是一个新的领域,因为所发现的241种转录因子的ips细胞编程特性之前是未知的。他们以神经元、结缔组织细胞、血管细胞和神经胶质细胞为例,进行了各种测试,表明转化后的细胞在功能能力上与人体细胞非常相似。

新发现为未来的研究带来了新的可能性

Busskamp说,“这些鉴定出的转录因子的优势在于,它们能够特别快速和容易地将ips细胞转化为体细胞,而且它们也有可能被用来形成更复杂的组织。”之前需要数周甚至数月的时间,而如今只需几天就可实现。无需昂贵费时的分化方案,在大规模筛选中鉴定出的一种转录因子足以做到这一点。

论文共同通讯作者、哈佛大学的George M. Church教授说,“这些结果开辟了新的可能性。使用转录因子进行干细胞编程的多样性、简单性和速度使得进行大规模的干细胞研究成为可能。在全球范围内,已经有50个其他的研究小组在使用我们的可编程干细胞系和转录因子库(transcription factor library)。”

论文第一作者、哈佛大学的Alex H.M.Ng和Parastoo Khoshaklagh目前已在美国剑桥市成立了初创公司GC Therapeutics,提供携带定制化整合着转录因子的可编程干细胞

Busskamp说,“不同研究机构之间的合作是非常成功的,这是因为不同的学科之间有很好的互补性和关联性。”现在全世界的科学家们都可以使用非营利组织Addgene提供的转录因子资源。

特别是作为一名退行性视网膜疾病的专家,Busskamp看到了干细胞技术在眼科的巨大潜力。Busskamp说,“对于老年性黄斑变性(AMD)等视网膜退行性疾病而言,有希望在未来的某一时刻,利用ips细胞转换来替代受影响的感光细胞。我的团队正在朝着这个目标努力。

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