發(fā)布日期:2018-09-18
《超人》里有個經(jīng)常被效仿的經(jīng)典情節(jié),超人偽裝成凡人克拉克·肯特,在被火燒到后,燒傷的傷口會瞬間愈合,險些讓他的朋友識破他就是超人。
劃了個小創(chuàng)口,皮膚愈合稀松平常,但如果創(chuàng)口過大,瞬間修復(fù)就成為超能力。近日,《自然》發(fā)表了美國等國科學(xué)家的一項研究,挖掘出皮膚愈合的“超能力”:通過病毒載體,將特定的轉(zhuǎn)錄因子(一種調(diào)控基因)轉(zhuǎn)入小鼠創(chuàng)口細胞,發(fā)現(xiàn)原本不能愈合的傷口迅速愈合了。研究人員花費了大量的時間“海選”哪些轉(zhuǎn)錄因子與愈合相關(guān),經(jīng)過多輪篩選才鑒定出4個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,將普通皮膚細胞轉(zhuǎn)化成一種“角質(zhì)形成細胞”,促成皮膚“新生”。
“平凡”細胞借助轉(zhuǎn)錄因子“浴火重生”
作為身體最大的防護器官,皮膚的外觀看似“城墻”,但這座城墻在內(nèi)部是涌動的,不同類的細胞在不同層間遷移,例如,角質(zhì)形成細胞從鄰近表皮遷移到傷口以促進再上皮化,變成“新生力量”修復(fù)受損的皮膚。
一類被稱為“角質(zhì)形成細胞”的細胞是實現(xiàn)新生的那塊“磚”,哪里創(chuàng)傷哪里搬。皮膚細胞群中的這類“非凡”細胞能夠促成皮膚新生,那么讓不愈傷口處的“平凡”細胞轉(zhuǎn)化為“非凡”細胞,可不可以解決問題呢?
“非凡”和“平凡”的不同由細胞內(nèi)部的基因表達決定。為此,研究團隊對人角質(zhì)形成細胞和人皮膚成纖維細胞進行了基因表達譜的比較。通過RNA測序等技術(shù),分析兩個細胞在基因表達上究竟有什么樣的不同。
“兩個細胞之間的基因表達差異是非常大的。”上??萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員黃鵬羽解釋,可以找到幾千個基因在表達上的不同。
研究團隊將目標放在了轉(zhuǎn)錄因子的不同表達上,“轉(zhuǎn)錄因子是一類調(diào)控基因,往往調(diào)控著幾百個功能基因的表達,進而決定細胞的‘命運’。”黃鵬羽說。
論文顯示,以“平凡”細胞為比照,團隊根據(jù)表達量分析、上游啟動子分析等因素在“非凡”細胞的大量不同中鑒定出了55個轉(zhuǎn)錄因子和31個微小RNA,它們在兩個細胞中的表達差異非常顯著,其中很可能包含了細胞之所以成為角質(zhì)形成細胞的決定因素。
“海選”之后是“晉級賽”。對于臨床應(yīng)用來講,86個因素太多,將初篩的因子縮小范圍才有可能落地應(yīng)用。“研究選用的方法有創(chuàng)新性。”黃鵬羽解釋,他們把所有的因素一起轉(zhuǎn)入皮膚細胞,看結(jié)果,那些活下來的、轉(zhuǎn)變?yōu)榻琴|(zhì)形成細胞就“跳脫”出來。
這是一場粗獷、角斗式的晉級賽。“平凡”細胞與帶有不同基因的慢病毒載體相遇,隨機把病毒載體“吃”進基因組中,細胞生命活動將經(jīng)歷“風暴”級的震動,“細胞在這個過程中會發(fā)生各種各樣的轉(zhuǎn)變,甚至死亡。”黃鵬羽說。
“這個篩選方法存在很大風險,一個是會不會有細胞存活下來,另一個是對這些細胞進行分析確定28個因子時,相關(guān)的實驗技術(shù)可能存在假陰性的現(xiàn)象。”黃鵬羽說,這也是此類研究探索經(jīng)常經(jīng)年沒有突破、需要有“坐冷板凳”的恒心和精神的原因。
少量的“平凡”細胞借助外來轉(zhuǎn)錄因子的力量“浴火重生”,歷練成為能變成新鮮上皮細胞的角質(zhì)形成細胞。
“減一”法篩選,找到4個“超級因子”
在“重生”細胞中,研究團隊發(fā)現(xiàn),有28個轉(zhuǎn)錄因子被“吃”進新細胞的基因組。
“28個轉(zhuǎn)錄因子仍舊太多,團隊利用‘減一’法進行了進一步篩選。”黃鵬羽說,目的是要聚焦究竟哪些因子是不可或缺的,哪些又是可有可無的。
嚴格的“減一”法意味著難以想象的工作量。黃鵬羽舉例道,28個因子,依次減少一個,加上對照組第一輪要做29組轉(zhuǎn)化,第二輪做28個……以此類推,每個轉(zhuǎn)化順利的話需要4—5個星期才能完成,二十幾輪全部做完算下來起碼需要三年的時間才能完成。
“團隊在實驗過程中應(yīng)該進行了相關(guān)分析,秉持了一些帶有傾向性的指導(dǎo)原則,并有選擇性地進行試驗驗證。”黃鵬羽認為,這不僅考驗著科研水平,也需要科學(xué)探索時的運氣成分。
幸運地,28個轉(zhuǎn)錄因子在相對短的時間內(nèi)被削減到4個,它們分別為:DNP63A、GRHL2、TFAP2A和MYC(簡稱DGTM因子)。研究最后使用的方法與2012年諾貝爾獎獲得者山中伸彌團隊相似,但在篩選思路上有針對性地進行了創(chuàng)新。
“這個結(jié)果也在一定程度上反應(yīng)了團隊的創(chuàng)新性思路。”黃鵬羽解釋,正常情況下,研究人員會著力去篩選出“什么是獨特的”,也就是說,這個細胞里有什么;但目前分離到的4個因子,并不全是該類細胞中的獨特基因,而是在很多細胞中都會高量表達的基因。這也對將來其他轉(zhuǎn)分化技術(shù)的開發(fā)有很強的啟發(fā)。
大海撈針地覓到的“超級因子”究竟行不行?團隊在小鼠身上制造潰瘍,并設(shè)計了一個“圍墻”巧妙地阻止了其他角質(zhì)形成細胞“打支援”。在這樣一個無法愈合的創(chuàng)口上,用這4個決定性因子局部治療小鼠皮膚潰瘍時,18天內(nèi)生長出健康的上皮細胞,上皮細胞逐漸擴大,可使大面積潰瘍愈合;3到6個月后,新生皮膚細胞在分子、基因和細胞測試中表現(xiàn)得與健康皮膚細胞相同。
讓“細胞超人”上臨床,還需大量工作
通過對細胞實施轉(zhuǎn)分化技術(shù)獲得新細胞,進行人體器官修復(fù)的嘗試由來已久——
早在40年前,就有學(xué)者嘗試通過表達1個轉(zhuǎn)錄因子,使得成纖維細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榧〖毎?;著名的iPS細胞(誘導(dǎo)性多能干細胞)也是通過對基因表達的控制,將已經(jīng)分化的細胞“返老還童”為干細胞,進而獲得發(fā)育為一個器官或者一個生命個體的能力。
“目前進入臨床試驗的并不多。”黃鵬羽介紹,轉(zhuǎn)分化獲得的“細胞超人”需滿足3個基本要求才會被視為有應(yīng)用前景:一是轉(zhuǎn)化效率足夠高,二是獲得細胞的功能足夠好,三是足夠安全不能有致瘤性。
以此項研究為例,它面臨的臨床阻礙可能在致瘤性方面。實驗結(jié)果表明,其轉(zhuǎn)分化效率大約為0.1%、且能夠促進大面積傷口的愈合,即能滿足前兩個條件。但在致瘤性方面,黃鵬羽說:“DGTM因子中的兩個基因與細胞增殖密切相關(guān)。DNP63A和MYC是促進腫瘤發(fā)生發(fā)展的基因。這項研究中MYC看起來是有可能剔除的,但仍需要進一步尋找能夠替代DNP63A的策略才可能上臨床,或者用大量的實驗證明其安全性。”
目前,科學(xué)家們在神經(jīng)細胞、肝臟細胞、心肌細胞、皮膚細胞等多個擁有廣闊應(yīng)用前景的組織再生中進行著大量的研究。我國在該領(lǐng)域也取得了多項突破性成果,并已經(jīng)在“類肝細胞”方面走通了從實驗室向臨床試驗的路。
相關(guān)資料顯示,中科院上海生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所研究員惠利健團隊在建立了將皮膚成纖維細胞誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為肝細胞的方法基礎(chǔ)上,與多家單位合作,突破“類肝細胞”體外培養(yǎng)技術(shù),成功研制出生物人工肝系統(tǒng),通過制備具備解毒功能的肝樣細胞,“清潔和營養(yǎng)”從病人體內(nèi)引出的血漿,再回輸入體內(nèi),治療急性肝衰竭病人。目前已完成10例左右患者的救治。
“這項技術(shù)2011年在《自然》發(fā)表,并獲當年‘中國科學(xué)十大進展’。直到2014年才能初步實施。如今仍未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,處于臨床試驗和產(chǎn)業(yè)化落地的‘雙推進’階段。”曾參與這項技術(shù)研發(fā)的黃鵬羽表示,在相關(guān)理論明晰后,還需要大量、艱難的優(yōu)化、改進工作,才能推向臨床實驗,并最終走向臨床治療應(yīng)用。(記者 張佳星)
來源:科技日報