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走近干细胞研究系列报道(二):中国开启细胞重编程3.0时代

2015/11/22 来源:科技日报/张佳星
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导读
日前,国家重点研发计划试点专项“干细胞及转化研究”申报指南正式公布。邓宏魁、周琪先后接受科技日报记者专访,他们不约而同提到突破式创新,为记者讲述“逆转细胞命运”技术和理念上的突破。


依稀的荧光,淡绿色,在显微的圆形视野中,出现了。

北京大学教授邓宏魁定了定神:“它告诉我走在了正确的方向上。”

这微光他盼望已久,之前的3年多,他带领的北京大学生命科学院研究团队一直在几万种小分子化合物、以及它们的不同组合中一试再试,直到2011年11月11日,“报告系统的绿色荧光出现,提示了一个重要线索”。

随后,小分子化合物诱导小鼠体细胞,培育出多只小鼠。该成果发表在2013年7月18日的《科学》杂志上。

“一根毫毛塑个活物”的幻化,在科学的世界中,至此经历了体细胞核移植、转基因、小分子化合物诱导等多种技术的演变。

“下一代技术是什么?乔布斯用iPhone给了手机答案,我们该如何作答?”邓宏魁说。

“后iPS时代,要以新的技术体系为代表。”中科院动物所研究员周琪说。

日前,国家重点研发计划试点专项“干细胞及转化研究”申报指南正式公布。邓宏魁、周琪先后接受科技日报记者专访,他们不约而同提到突破式创新,为记者讲述“逆转细胞命运”技术和理念上的突破。

应用先导,“重编程”版本1.0、2.0、3.0

获得干细胞,更形象地被称为“细胞重编程”。“多莉羊”是它的1.0版产品,采用“核移植”技术。

2.0版直接向体细胞导入4个基因,由日本科学家2006年发表,他们获得了与胚胎干细胞高度相似的诱导多能干细胞(iPS)。2.0技术的句号由中国科学家完成,小鼠“小小”2009年诞生,由周琪通过四倍体囊胚注射方法,利用诱导性多能干细胞培养出来,证明iPS细胞能够育出生命。这一研究入选美国《时代周刊》评选的2009年年度十大医学突破。

“之后,我较少继续iPS研究工作,”说到“不跟随”的理由,周琪回答,“从中国的国情看,个性化治疗只会服务于少数人,让大多数人通过基因技术从自身体细胞中获得iPS细胞并不现实。”

“此外还要考虑插入基因有没有癌变危险,也要考虑病人细胞本身的缺陷。”2010年,他通过实验证明iPS细胞来源的小鼠具有与胚胎干细胞来源小鼠相同的生理功能但具有致瘤倾向。

换句话说,目前阶段看,2.0技术短期难以临床,中期看难以普适。“但这一技术为生命科学研究打开了新大门,我们首先想到这可能是一个创造生命的全新方法,”周琪说,“发育生物学是我的本行”,创造生命是他从事研究时的关键词。秉承这一理念,周琪和他的同事们尝试着先后获得了能够替代精子和卵子的小鼠和大鼠单倍体干细胞,并创造出自然条件下原本并不存在的新的细胞类型,着力为探寻生命奥秘开辟新路径。

iPS技术本身在“多头控制”时也难以捉摸,邓宏魁说:“同时转入多个基因技术上很难精确调控,就像一种疾病,如果是由单一因素造成的,还能控制,但现实中的疾病大都由多个因素共同作用,很难调控。”

为此,邓宏魁将3.0技术的目标定位在操作简单的小分子化合物,“从历史发展来看,无论中药、西药,都是小分子发挥作用。小分子直接加进溶液,剂量、时间、处理方式都能精准调控”。

一波三折,终有开创性突破

2008年,邓宏魁以几万种小分子化合物为基础,进行大规模筛选。

巨大的工作量没有难住邓宏魁,学生的问题却难住了他,“他们会问,这东西能毕业吗?”

“我回答不了‘这条路走对了吗、还差多久做完’这些问题。”不停的组合、不停的验证,却可能意味着永远达不到终点。

与开创性工作的“混沌感”抗衡,只能不问终点在何处、只在乎脚下还有路。

“好在有中间结果发表,让学生毕业,他们心理上还有点信心。”邓宏魁说,2010年、2011年是最艰难的两年,“在所有基因都被小分子替代时,遇到了很大障碍——这些小分子的简单组合并不能得到多能性干细胞。我们只能不停尝试多种策略。”

“无底洞,”他这样形容以小分子推动体细胞“干细胞化”的研究,坚持、探索,直到无底洞终见“报告系统的绿色荧光”,直到得到的多能性细胞发育成一只完整的小鼠个体,直到2013年《用小分子化合物诱导体细胞重编程为多潜能干细胞》一文在《科学》上刊出,干细胞诱导技术3.0版显出雏形。

2015年8月6日,《Cell Stem Cell》杂志以封面文章形式刊登团队的又一成果:使用小分子化合物直接诱导小鼠成纤维细胞获得功能神经元。3.0版愈发丰满。

深挖机理,细胞里学“哲学”

新技术出现,它是上一代的修补还是变革?几年来,邓宏魁始终在摸索。

“我们探测到,相比传统的基因诱导技术,小分子诱导时,细胞表现完全不同。”邓宏魁进一步解释,“过去认为掌控‘分化发育’的基因,反而跑来促成细胞‘多能性’的获得。”

路线图中的意外,让他明白,没有绝对的所谓“分化基因”“多能性基因”,每个基因的角色“可敌可友”“可正可负”,关键在于是否平衡。为此,他同北京大学汤超研究组合作,提出细胞命运转变的“跷跷板模型”,模型指出基因表达的平衡状态更有利于“多能性”的形成,研究发表在2013年5月23日《细胞》杂志的封面。

“跷跷板模型”是如何指导方法论的呢?

邓宏魁说,“之前,要让A细胞变成B细胞,就是往A中转入B的关键基因,而事实上,并不需要这些关键基因,只需要找个带路的,把A领过去就能变成B。”

用一句哲学格言更便于理解,“是经历决定了你是谁,而不是你的财富。”当然,这里的“你”代表细胞。

“这为细胞命运的改变提供了新的理论基础,指导未来的研究眼界可以更开阔些。”邓宏魁说,“为了让新的方法用起来,我们正在绘制详细的‘小分子诱导体细胞重编程’的工作路线图。”

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