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科學(xué)家利用基因編輯技術(shù)獲得遺傳增強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)干細(xì)胞

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科學(xué)家利用基因編輯技術(shù)獲得遺傳增強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)干細(xì)胞

摘要: 　　從提高農(nóng)作物的抗病能力，到原位編輯動(dòng)物遺傳密碼，再到靶向摧毀發(fā)生基因突變的線粒體，乃至特異性矯正病人細(xì)胞中的致病基因突變，基因編輯技術(shù)的迅猛發(fā)展正在為人類的健康和生活帶來不同層面的改變。日前，中國(guó) ...

　　從提高農(nóng)作物的抗病能力，到原位編輯動(dòng)物遺傳密碼，再到靶向摧毀發(fā)生基因突變的線粒體，乃至特異性矯正病人細(xì)胞中的致病基因突變，基因編輯技術(shù)的迅猛發(fā)展正在為人類的健康和生活帶來不同層面的改變。日前，中國(guó)科學(xué)院生物物理學(xué)習(xí)所劉光慧課題組、北京大學(xué)湯富酬課題組和中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物學(xué)習(xí)所曲靜課題組聯(lián)合開展的學(xué)習(xí)進(jìn)一步拓展了基因編輯技術(shù)的應(yīng)用范圍。學(xué)習(xí)人員利用基因編輯改寫了人類基因組遺傳密碼中的單個(gè)堿基，首次在實(shí)驗(yàn)室中獲得了遺傳增強(qiáng)的干細(xì)胞（Genetically Enhanced Stem cells，GES細(xì)胞）。這種GES細(xì)胞能夠?qū)?xì)胞衰老和致瘤性轉(zhuǎn)化產(chǎn)生雙重抵抗作用，因此為開展安全有效的干細(xì)胞治療提供了可能的解決途徑。該學(xué)習(xí)工作于7月7日以Genetic enhancement in cultured human adult stem cells conferred by a single nucleotide recoding 為題發(fā)表于細(xì)胞學(xué)習(xí)（Cell Research）。
　　再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在兩個(gè)亟待解決的重要科學(xué)問題：（1）干細(xì)胞治療的有效性，即如何獲得更多高質(zhì)量的可供移植治療的人類干細(xì)胞，如何賦予這些細(xì)胞移植物更強(qiáng)的自我更新、存活、定向分化以及對(duì)移植環(huán)境（如衰老與應(yīng)激）的耐受能力，以便令其在體內(nèi)發(fā)揮更為持久的治療效果。（2）干細(xì)胞治療的安全性，即如何有效降低細(xì)胞移植物在體內(nèi)形成腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)。最新發(fā)表的這項(xiàng)學(xué)習(xí)工作聚焦于上述兩個(gè)重要科學(xué)問題，期望通過基因編輯手段對(duì)細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵基因和信號(hào)通路進(jìn)行精確調(diào)控，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞活力的提高及致瘤性的減弱，最終獲得優(yōu)質(zhì)安全的人類干細(xì)胞移植物。
　　學(xué)習(xí)人員通過篩選可以延緩干細(xì)胞衰老的小分子化合物，發(fā)現(xiàn)抗氧化轉(zhuǎn)錄因子NRF2的激動(dòng)劑能延緩人類早衰癥患者間充質(zhì)干細(xì)胞的加速衰老。在既往的低等模式生物學(xué)習(xí)中，NRF2的缺失會(huì)導(dǎo)致生物體壽命縮短，反之其過表達(dá)則有助于壽命的延長(zhǎng)。而生物物理所學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)2016年發(fā)表在細(xì)胞（Cell）上的文章和此項(xiàng)學(xué)習(xí)則進(jìn)一步揭示人類間充質(zhì)干細(xì)胞的衰老伴隨著NRF2蛋白水平的顯著下調(diào)；反過來，NRF2的功能增強(qiáng)又能夠改善衰老間充質(zhì)干細(xì)胞的活力。因此，學(xué)習(xí)人員推測(cè)在編碼基因水平增強(qiáng)NRF2的活性或許能夠延緩人類干細(xì)胞的衰老。為了證明這一點(diǎn)，他們利用第三代腺病毒載體HDAdV介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)在人類胚胎干細(xì)胞中置換了NRF2基因第2號(hào)外顯子中的單一核苷酸（A245G）。這一單堿基置換使得細(xì)胞中的NRF2蛋白脫離了其抑制蛋白KEAP1的束縛，進(jìn)而通過轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核，激活一系列抗氧化和細(xì)胞保護(hù)基因的表達(dá)。
　　隨后，學(xué)習(xí)人員將基因編輯的人類胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化成為具有治療潛力的間充質(zhì)干細(xì)胞，并發(fā)現(xiàn)這些間充質(zhì)干細(xì)胞的自我更新以及抵抗應(yīng)激和細(xì)胞衰老等能力均獲得了顯著增強(qiáng)。此外，由該種胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化而來的血管內(nèi)皮細(xì)胞也表現(xiàn)出強(qiáng)大的抵御氧化損傷的能力。這些結(jié)果均說明該遺傳增強(qiáng)策略能夠賦予人類干細(xì)胞及其分化衍生物更強(qiáng)的活性和自我保護(hù)能力。
　　與此同時(shí)，學(xué)習(xí)人員還考察了GES細(xì)胞在經(jīng)過體內(nèi)移植之后是否也會(huì)具有更強(qiáng)的存活、整合和組織修復(fù)能力。學(xué)習(xí)結(jié)果表明，將上述GES細(xì)胞移植入小鼠體內(nèi)后能夠表現(xiàn)出更強(qiáng)的存活和整合能力，并能夠顯著促進(jìn)缺血損傷模型小鼠后肢血流的恢復(fù)，證明GES細(xì)胞在移植后能夠表現(xiàn)出優(yōu)于普通干細(xì)胞的再生修復(fù)能力。
　　學(xué)習(xí)人員也同時(shí)開展了針對(duì)遺傳增強(qiáng)策略的安全性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)盡管GES細(xì)胞具有更強(qiáng)的自我更新能力和體外傳代壽命，但是在移植入免疫缺陷小鼠體內(nèi)后并不會(huì)形成腫瘤。令人興奮的是，GES細(xì)胞還表現(xiàn)出對(duì)癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的強(qiáng)抵抗作用。在諸多癌基因激活的情況下，GES細(xì)胞仍然保持著高度的基因組穩(wěn)定性，移植入免疫缺陷小鼠體內(nèi)后不會(huì)形成腫瘤。更有趣的是，經(jīng)過遺傳增強(qiáng)的人類胚胎干細(xì)胞在免疫缺陷小鼠體內(nèi)僅能產(chǎn)生比對(duì)照胚胎干細(xì)胞小得多的畸胎瘤。該實(shí)驗(yàn)提示，即便GES細(xì)胞移植物中殘留了少量未分化的多能干細(xì)胞，其在體內(nèi)形成畸胎瘤的能力也已被大大削弱，這就進(jìn)一步降低了利用遺傳增強(qiáng)型干細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞移植治療的安全風(fēng)險(xiǎn)。
　　綜上所述，該學(xué)習(xí)首次利用基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人類干細(xì)胞的遺傳增強(qiáng)，并從概念上證明了利用該策略獲得優(yōu)質(zhì)安全細(xì)胞移植物的可行性。通過NRF2基因的單堿基置換可以賦予人類干細(xì)胞更強(qiáng)的抵御應(yīng)激和衰老的能力，以及在體內(nèi)更好的留存和再生修復(fù)功能，甚至對(duì)干細(xì)胞癌變的抵抗活性。該學(xué)習(xí)的意義不僅在于創(chuàng)造了一種優(yōu)質(zhì)安全的人類間充質(zhì)干細(xì)胞，更重要的是為針對(duì)不同組織類型及疾病特性設(shè)計(jì)不同遺傳增強(qiáng)方案的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，使得規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)化制備優(yōu)質(zhì)安全的人類干細(xì)胞移植材料成為可能。
　　該學(xué)習(xí)工作由中科院生物物理所、北京大學(xué)、中科院動(dòng)物所和首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院等機(jī)構(gòu)合作完成。中科院生物物理所學(xué)習(xí)員劉光慧、北京大學(xué)學(xué)習(xí)員湯富酬以及中科院動(dòng)物所學(xué)習(xí)員曲靜為共同通訊作者。中科院生物物理所博士學(xué)習(xí)生楊濟(jì)平和北京大學(xué)博士學(xué)習(xí)生李靜宜為并列第一作者。該工作受到科技部、基金委、北京市和中科院等項(xiàng)目的資助，相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利。



　　圖1. 遺傳增強(qiáng)型人類間充質(zhì)干細(xì)胞抵抗細(xì)胞衰老，在連續(xù)傳代后仍可保持較低的衰老相關(guān)-半乳糖苷酶活性及較長(zhǎng)的端粒（上）；一系列NRF2下游抗氧化和細(xì)胞保護(hù)基因的表達(dá)在遺傳增強(qiáng)型間充質(zhì)干細(xì)胞中協(xié)同上調(diào)（中）；遺傳增強(qiáng)型間充質(zhì)干細(xì)胞具有對(duì)小鼠后肢缺血損傷更好的治療作用（下）。



　　圖2. 遺傳增強(qiáng)型人類間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化具有強(qiáng)抵抗作用，仍然能夠維持基因組的穩(wěn)定（上），移植入免疫缺陷小鼠體內(nèi)后不會(huì)形成腫瘤（下左）；遺傳增強(qiáng)型人胚胎干細(xì)胞僅能形成相對(duì)較小的畸胎瘤（下右）。



　　圖3. 利用基因編輯介導(dǎo)的遺傳增強(qiáng)策略獲得優(yōu)質(zhì)安全的人類干細(xì)胞移植材料。科學(xué)家利用基因編輯技術(shù)獲得遺傳增強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)干細(xì)胞  |  責(zé)任編輯：蟲子
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