Cell发布干细胞分化研究重大突破

斯坦福大学医学院的研究人员绘制出了快速、高效引导人类胚胎干细胞变为12种细胞类型中任一种的纯粹细胞群所必需的多组生物和化学信号。相比以往需要数周或数月时间，能够在数天内生成这些纯粹的细胞群是朝着适用于临床的再生医疗迈出的关键一步。这项研究发布在7月14日《细胞》（Cell）杂志上

　　

生物通报道  斯坦福大学医学院的研究人员绘制出了快速、高效引导人类胚胎干细胞变为12种细胞类型中任一种的纯粹细胞群所必需的多组生物和化学信号。相比以往需要数周或数月时间，能够在数天内生成这些纯粹的细胞群是朝着适用于临床的再生医疗迈出的关键一步——有可能使得研究人员能够生成跳动的新心脏细胞修复心脏病发作后的损伤，或是生成软骨或骨头来恢复咯吱作响的关节或治愈创伤。这项研究发布在7月14日《细胞》（Cell）杂志上

上接：干细胞鼻祖Cell发表重要成果

相比于许多其他的动物，人类胚胎发育是一个神秘的过程，尤其是受孕后的第一个星期。这是因为许多国家和社会团体禁止培养人类胚胎超过14天。但我们都知道，像其他动物一样，在最早期阶段人类胚胎是由三个主要的胚层构成：外胚层、内胚层和中胚层。

随着胚胎发育每个胚层负责生成某些细胞类型。例如，中胚层生成了一些重要的细胞类型，包括心肌和骨骼肌、结缔组织、骨骼、血管、血细胞、软骨和肾脏与皮肤的一些组成部分。

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Loh说：“能够生成这些细胞类型的纯粹细胞群对于任一种临床重要的再生疗法，及绘制出人类胚胎发育的基本线路图均非常重要。以往生成这些细胞类型需要数周至数月的时间，主要是无法精确控制细胞命运。因此，研究人员最终获得的是一些细胞类型的混杂物。”

Loh和Chen想知道是什么信号驱动了每一种中胚层来源细胞类型的形成。为此，他们一开始从人类胚胎干细胞系入手，采用化学方法推动它们变成了形成早期胚胎空心细胞球上原条（primitive streak）的细胞。他们随后采用已知信号分子，包括WNT、BMP 和Hedgehog的不同组合，作为一种方法诱导这些细胞变成了更为特化的前体细胞。

一种是与否的策略

他们了解到这些细胞往往是通过在两个可能的选项之间做出一连串连续的选择来沿着发育途径向下进展的。微处理细胞发育决定最快、最有效的方法是同时应用促进分化为一种谱系的一些因子，与积极阻止细胞进入另一种不同命运的一些因子的组合——一种“是”与“否”的策略。

例如，原条中的一些细胞是变成内胚层或是两种中胚层中的一种。抑制信号分子TGF-β的活性会驱动细胞走向中胚层命运。添加信号分子WNT，同时还阻断另一种分子BMP的活性，会促进分化为一种中胚层；与之相反，添加BMP同时阻断WNT会驱动细胞变为另一种中胚层。

“我们知道了在这一过程中了解不需要的细胞类型形成的机制，寻找一种方法来阻断这一过程，同时促进我们需要的发育途径同样地重要，”Loh说。

通过在每个道路岔路口小心引导细胞的选择，Loh和Chen能够生成当移植到实验小鼠体内时形成人类骨骼的骨前体细胞，跳动的心肌细胞，以及另外10种中胚层来源细胞谱系。

在每个发育阶段，研究人员都进行了单细胞RNA测序鉴别独特的基因表达模式，评估了单个细胞群的纯度。通过检测单细胞中的基因表达谱，研究人员确定了从前未知的、代表从前体细胞进展至更特化细胞的过渡状态。

胚胎发育中的分节

尤其是，他们第一次观察到了在人类胚胎分节为将成为身体头、躯干和四肢的独立组件之前的一个基因表达短暂脉冲。这一过程反映了已知在其他动物中发生的事件，证实了人类发育中的分节过程进化上保守。

Loh说：“胚胎分节是人类发育的一个基本步骤。现在我们可以看到在进化上它是一个非常保守的过程。”了解分节和其他关键的发育步骤发生的时间和机制将提供有关这些步骤出错时先天出生缺陷出现机制的重要线索。

能够快速生成纯粹的特化前体细胞群为进一步的研究打开了新的大门。

Loh说：“接下来，我们想证实这些不同的人类前体细胞可以再生出各自的组织，也许甚至能减轻动物模型疾病。”

神经元是如何变成神经元的？它们都是起源于未分化的、有潜力变为体内所有细胞的干细胞。然而，直到现在关于这一切究竟是如何发生的仍是一个科学谜团。由加州大学加州大学圣巴巴拉分校的神经科学家们完成的一项研究，阐明了在干细胞转化为神经元和其他细胞类型之前发生的一些最早期的变化。研究结果发布在2016年3月24日的Cell杂志上（Cell揭开干细胞分化谜团 ）。

血清素系统是治疗多种精神疾病一个重要的靶标。然而由于无法获得功能性人类血清素神经元来开展体外研究，因此，大多数的研究一直都是在实验动物身上进行的。来自威斯康星大学的研究人员报告称，他们开发出了一种新策略诱导人类多能干细胞（hPSCs）分化生成血清素神经元(serotonin neuron)。这一研究成果发布在2015年12月14日的Nature Biotechnology杂志上（张素春教授Nature Biotechnology干细胞分化研究新成果 ）。

迄今为止，人们已经鉴定了许多在特定时间促使干细胞分化的分子线索。用干细胞修复受损和衰老的组织已经成为了再生医学领域的热点。不过，让干细胞听从指令并不是一件简单的事。加州大学旧金山分校的研究人员首次用光精确控制了胚胎干细胞的分化，让它们根据准确的外部线索转变为神经元。这项研究发表在2015年8月的Cell Systems杂志上（Cell子刊重要成果：用光精确控制干细胞分化）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Mapping the Pairwise Choices Leading from Pluripotency to Human Bone, Heart, and Other Mesoderm Cell Types.Cell.DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.06.011