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干細胞研究牛人Cell細胞重編程突破性發現

日期:2012-11-16 08:04:15

50年前,英國研究人員John Gurdon證實將來自非生殖細胞(體細胞)的遺傳物質移入去核卵細胞中,可將細胞重編程至胚胎狀態。2006年,日本京都大學研究人員山中伸彌(Shinya Yamanaka)擴展了這些研究結果,通過在小鼠體細胞中表達四種蛋白逆轉了它們的遺傳時鐘,將它們轉化成為了稱作誘導多能干細胞iPS細胞)的胚胎樣干細胞。今年的10月初,GurdonYamanaka因他們的研究發現獲得了2012年諾貝爾生理學/醫學獎。

 

現在由賓夕法尼亞大學Perelman醫學院的Kenneth Zaret博士領導的一個科學家小組開展了一些細致的檢測研究,更深入地了解了iPS細胞的形成機制,并找出了Yamanaka的重編程程序效率低下的原因。研究揭示了iPS細胞形成的一些細胞障礙,如果克服它們可以大大提高iPS細胞生成的效率和速度。相關論文發表在1121日的《細胞》(Cell)雜志上。

 

現為賓夕法尼亞大學細胞與發育生物學教授、再生醫學研究所副主任的Zaret博士近年來將研究焦點集中在基因調控、染色質結構以及發育和干細胞生物學等領域,取得了一系列突破性研究成果,在ScienceCell子刊上發表多篇研究論文。現擔任MCB雜志的編輯,并在多個研究院科技咨詢委員會、生物技術與制藥公司以及NIH任職。同時兼任美國國家醫學研究院(NIGMS)科學顧問委員會主席,美國科學促進會(AAAS)會員。

 

“這些研究提供了詳細的見解,重編程因子如何與分化細胞染色質相互作用,啟動它們沿路向干細胞轉變,”國立普通醫學科學研究所(該研究的部分資金由這一機構提供)的Susan Haynes博士說。Zaret博士的研究還鑒別了染色質中一個重要的結構性障礙,重編程因子必須克服這一障礙才能結合DNA。這一知識將有助于提高重編程的效率,這對于未來的治療應用非常重要。

 

在諸如皮膚細胞等人類體細胞中表達4DNA結合蛋白Oct4 Sox2 Klf4c-Myc (O, S, K, and M)可以生成人類iPS細胞。干細胞和醫學團體對這些細胞抱有濃厚的興趣,不僅僅因為它們提供了胚胎干細胞樣的前景,且繞開了倫理學和道德困境。同樣重要的是,來自遺傳疾病個體的患者特異性iPS細胞可以用于研究疾病的起源,開發針對亨廷頓氏病和帕金森氏病等多種疾病的治療藥物。

 

然而生成iPS細胞的程序效率非常的低下。它需要一個月的時間才能完全將體細胞重編程為iPS細胞,且將4個因子導入1000個細胞才只有1個細胞會成功發生轉化。更重要的是,一些研究表明iPS的可塑性與胚胎細胞并不完全相當。ZaretPerelman醫學院的博士后研究員Abdenour Soufi以及生物信息專家決定找出其原因。

 

目的地測定

 

研究小組分析了啟動iPS細胞重編程48小時后四個重編程因子在人類基因組中的目的地,比較了它們在起始細胞群、完全重編程iPS細胞、接近重編程過程末期的細胞(前iPS細胞)和胚胎干細胞這四種細胞類型中的位置。

 

他們發現在48小時時,重編程因子往往結合到了遠離它們所調控的基因,稱作增強子的基因調控元件上,而非靶向基因自身。這表明OSK作為“先鋒因子”打開了DNA封閉的染色質結構從而促進了重編程過程。

 

研究小組還發現在48小時時基因組中有大量的區域重編程因子難于結合,但最終它們還是被激活,且實際上是iPS形成的必要條件。

 

Zaret解釋說:“基本上,人類基因組有一大塊完全抵制這些因子進入。從而為我們提供了一些理解:你必須克服這一結合障礙讓這些因子到達最終的目的地。“

 

這些難接近的序列往往用一種稱作H3K9me3的組蛋白修飾進行化學標記。當研究小組阻斷生成這種修飾的酶時,他們“顯著加速”了重編程過程。

 

Zaret說這些結果揭示了減慢和阻礙iPS細胞重編程過程的遺傳障礙,以及有可能是iPS細胞和胚胎干細胞之間細微差異基礎的因子。他們還提出了解決這些問題的一種有潛力的方法——添加H3K9me3抑制劑。

 

研究結果還揭示細胞有可能利用了一條與細胞生物學完全不同的正常的細胞機制來抑制了基因區段。Zaret說:“進入這一想法,我們將了解到逆轉至多能性機制的一些信息,最終我們會發現一些新途徑即細胞通過關閉基因組的某些部分來控制了基因表達。

 


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