干细胞研究牛人Cell细胞重编程突破性发现

　　

生物通报道  50年前，英国研究人员John Gurdon证实将来自非生殖细胞（体细胞）的遗传物质移入去核卵细胞中，可将细胞重编程至胚胎状态。2006年，日本京都大学研究人员山中伸弥（Shinya Yamanaka）扩展了这些研究结果，通过在小鼠体细胞中表达四种蛋白逆转了它们的遗传时钟，将它们转化成为了称作诱导多能干细胞（iPS细胞）的胚胎样干细胞。今年的10月初，Gurdon和Yamanaka因他们的研究发现获得了2012年诺贝尔生理学/医学奖。

现在由宾夕法尼亚大学Perelman医学院的Kenneth Zaret博士领导的一个科学家小组开展了一些细致的检测研究，更深入地了解了iPS细胞的形成机制，并找出了Yamanaka的重编程程序效率低下的原因。研究揭示了iPS细胞形成的一些细胞障碍，如果克服它们可以大大提高iPS细胞生成的效率和速度。相关论文发表在11月21日的《细胞》（Cell）杂志上。

现为宾夕法尼亚大学细胞与发育生物学教授、再生医学研究所副主任的Zaret博士近年来将研究焦点集中在基因调控、染色质结构以及发育和干细胞生物学等领域，取得了一系列突破性研究成果，在Science及Cell子刊上发表多篇研究论文。现担任MCB杂志的编辑，并在多个研究院科技咨询委员会、生物技术与制药公司以及NIH任职。同时兼任美国国家医学研究院(NIGMS)科学顾问委员会主席，美国科学促进会（AAAS）会员。

“这些研究提供了详细的见解，重编程因子如何与分化细胞染色质相互作用，启动它们沿路向干细胞转变，”国立普通医学科学研究所（该研究的部分资金由这一机构提供）的Susan Haynes博士说。Zaret博士的研究还鉴别了染色质中一个重要的结构性障碍，重编程因子必须克服这一障碍才能结合DNA。这一知识将有助于提高重编程的效率，这对于未来的治疗应用非常重要。

在诸如皮肤细胞等人类体细胞中表达4种DNA结合蛋白Oct4、 Sox2、 Klf4和c-Myc (O, S, K, and M)可以生成人类iPS细胞。干细胞和医学团体对这些细胞抱有浓厚的兴趣，不仅仅因为它们提供了胚胎干细胞样的前景，且绕开了伦理学和道德困境。同样重要的是，来自遗传疾病个体的患者特异性iPS细胞可以用于研究疾病的起源，开发针对亨廷顿氏病和帕金森氏病等多种疾病的治疗药物。

然而生成iPS细胞的程序效率非常的低下。它需要一个月的时间才能完全将体细胞重编程为iPS细胞，且将4个因子导入1000个细胞才只有1个细胞会成功发生转化。更重要的是，一些研究表明iPS的可塑性与胚胎细胞并不完全相当。Zaret与Perelman医学院的博士后研究员Abdenour Soufi以及生物信息专家决定找出其原因。

目的地测定

研究小组分析了启动iPS细胞重编程48小时后四个重编程因子在人类基因组中的目的地，比较了它们在起始细胞群、完全重编程iPS细胞、接近重编程过程末期的细胞（前iPS细胞）和胚胎干细胞这四种细胞类型中的位置。

他们发现在48小时时，重编程因子往往结合到了远离它们所调控的基因，称作增强子的基因调控元件上，而非靶向基因自身。这表明O、S和K作为“先锋因子”打开了DNA封闭的染色质结构从而促进了重编程过程。

研究小组还发现在48小时时基因组中有大量的区域重编程因子难于结合，但最终它们还是被激活，且实际上是iPS形成的必要条件。

Zaret解释说：“基本上，人类基因组有一大块完全抵制这些因子进入。从而为我们提供了一些理解：你必须克服这一结合障碍让这些因子到达最终的目的地。“

这些难接近的序列往往用一种称作H3K9me3的组蛋白修饰进行化学标记。当研究小组阻断生成这种修饰的酶时，他们“显著加速”了重编程过程。

Zaret说这些结果揭示了减慢和阻碍iPS细胞重编程过程的遗传障碍，以及有可能是iPS细胞和胚胎干细胞之间细微差异基础的因子。他们还提出了解决这些问题的一种有潜力的方法——添加H3K9me3抑制剂。

研究结果还揭示细胞有可能利用了一条与细胞生物学完全不同的正常的细胞机制来抑制了基因区段。Zaret说：“进入这一想法，我们将了解到逆转至多能性机制的一些信息，最终我们会发现一些新途径即细胞通过关闭基因组的某些部分来控制了基因表达。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Facilitators and Impediments of the Pluripotency Reprogramming Factors' Initial Engagement with the Genome

The ectopic expression of transcription factors can reprogram cell fate, yet it is unknown how the initial binding of factors to the genome relates functionally to the binding seen in the minority of cells that become reprogrammed. We report a map of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc (O, S, K, and M) on the human genome during the first 48 hr of reprogramming fibroblasts to pluripotency. Three striking aspects of the initial chromatin binding events include an unexpected role for c-Myc in facilitating OSK chromatin engagement, the primacy of O, S, and K as pioneer factors at enhancers of genes that promote reprogramming, and megabase-scale chromatin domains spanned by H3K9me3, including many genes required for pluripotency, that prevent initial OSKM binding and impede the efficiency of reprogramming. We find diverse aspects of initial factor binding that must be overcome in the minority of cells that become reprogrammed.