科學(xué)家利用液氮罐獲得遺傳增強的“超級”干細胞

　　“金剛狼”、“蜘蛛俠”，這些好萊塢大片里的超級英雄家喻戶(hù)曉。但在現實(shí)生活中，通過(guò)基因編輯技術(shù)改造生殖細胞，打造出這些遺傳增強的“超級人類(lèi)”被倫理所禁止。而在倫理許可的干細胞中，中國科學(xué)家通過(guò)基因編輯技術(shù)，首次人工改造出遺傳增強的“超級”干細胞。這類(lèi)干細胞或將在治療人類(lèi)疾病中展現身手。

　　7月7日，《細胞研究》(Cell Research)期刊在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所劉光慧課題組、北京大學(xué)湯富酬課題組和中科院動(dòng)物研究所曲靜課題組的聯(lián)合研究成果，首次將基因編輯技術(shù)用于干細胞的遺傳增強，從而宣布了國際上第一例遺傳增強人類(lèi)干細胞(Genetically Enhanced Stem cells，GES細胞)的誕生。

　　眾所周知，干細胞是一類(lèi)具有自我復制能力的細胞，在一定條件下可以分化成多種功能細胞。那這種新型干細胞又是什么?

　　在接受澎湃新聞采訪(fǎng)時(shí)，劉光慧介紹說(shuō)：“ 遺傳 意味著(zhù)干細胞的遺傳密碼被改變了，我們利用基因編輯技術(shù)改寫(xiě)了人類(lèi)基因組中的單個(gè)堿基。這種基因組上的改變在干細胞分裂的過(guò)程中，能夠穩定地傳遞給子細胞。”而“增強”指的是，經(jīng)過(guò)這一微小的遺傳密碼置換，干細胞會(huì )“老”得更慢，可以在患者體內存活更長(cháng)時(shí)間，產(chǎn)生更好的再生治療效果。此外，這種干細胞還能抵抗癌基因的侵擾，從而降低轉化為癌細胞的風(fēng)險。正是因為同時(shí)獲得了對細胞衰老和癌變的抵抗能力，這種干細胞被稱(chēng)為“遺傳增強”的干細胞。

　　中國科學(xué)院動(dòng)物研究所干細胞與生殖生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員李偉沒(méi)有參與這項研究，他向澎湃新聞點(diǎn)評道：“這一發(fā)現對間充質(zhì)干細胞的臨床轉化治療具有重要的價(jià)值，同時(shí)也很好地證實(shí)了利用基因編輯技術(shù)可以促進(jìn)干細胞在再生醫學(xué)中的應用，為干細胞研究提供了值得借鑒的新方法。”

　　“四兩撥千斤”的核心：轉錄因子“NRF2”

　　據悉，這種“超級”干細胞是為了解決目前干細胞治療中的兩大難題——治療有效性和安全性。劉光慧團隊及其合作者通過(guò)基因編輯技術(shù)，僅改變人類(lèi)基因組中的一個(gè)堿基，“四兩撥千斤”地破解這兩個(gè)難題。

　　而這個(gè)“四兩撥千斤”的關(guān)鍵改動(dòng)是圍繞著(zhù)名為“NRF2”的轉錄因子展開(kāi)。

　　轉錄因子，顧名思義，是指一種可以協(xié)助遺傳物質(zhì)DNA向RNA轉錄的蛋白質(zhì)。在劉光慧與合作者的工作中，他們以藥物篩選的方式，試圖找到與干細胞衰老有關(guān)的關(guān)鍵因子。這一過(guò)程中，他們發(fā)現，篩選出來(lái)能延緩人類(lèi)間充質(zhì)干細胞衰老的化合物有一個(gè)共同特點(diǎn)——都能激活NRF2這個(gè)抗氧化的轉錄因子。

　　由此，劉光慧團隊猜測，在基因層面增強NRF2的活性或許能夠延緩人類(lèi)干細胞的衰老。

　　怎樣做最小改動(dòng)來(lái)增強NRF2呢?

　　在之前的研究中，研究人員已經(jīng)知道，細胞里有名曰“KEAP1”的NRF2抑制蛋白，會(huì )通過(guò)結合并降解NRF2，使其無(wú)法發(fā)揮功能。與此同時(shí)，研究人員也已經(jīng)知曉，在NRF2與其抑制蛋白接觸的表面上，有一個(gè)氨基酸很關(guān)鍵，負責將NRF2捆綁在抑制蛋白上。

　　那么，如果這個(gè)關(guān)鍵的氨基酸被替換掉，NRF2是不是就能脫離抑制蛋白的束縛，更好地發(fā)揮功能，保護細胞了?

　　“一石二鳥(niǎo)”

　　于是，為了證明這一猜想，在人類(lèi)胚胎干細胞中，劉光慧團隊使用第三代腺病毒載體HDAdV介導的基因編輯技術(shù)，置換了NRF2編碼基因的一個(gè)堿基(A245G)。置換后，NRF2果然得以?huà)昝撘种频鞍椎?ldquo;控制”，大量進(jìn)入細胞核，激活一系列抗氧化和細胞保護基因的表達，使得干細胞有了更長(cháng)的“壽命”。

　　隨后，劉光慧團隊及其合作者測試了這種經(jīng)過(guò)人工改造的干細胞在體內的移植效果。值得一提的是，在干細胞治療中，胚胎干細胞因為會(huì )形成良性的畸胎瘤而無(wú)法被直接使用，由胚胎干細胞定向誘導分化而成的間充質(zhì)干細胞是更佳的治療材料。

　　研究人員從液氮罐中取出干細胞。

　　因此，劉光慧團隊從上述改造過(guò)的人類(lèi)胚胎干細胞中分化獲得間充質(zhì)干細胞，并在小鼠身上進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗中，小鼠腿部的大血管被結扎，出現缺血性損傷。于是，實(shí)驗人員向小鼠腿部注入干細胞，幫助小鼠的傷腿再生出新的血管細胞，重新構建血管系統。結果顯示，相比于沒(méi)有經(jīng)過(guò)基因編輯的干細胞，經(jīng)過(guò)遺傳增強的間充質(zhì)干細胞能更顯著(zhù)地恢復傷腿的血液循環(huán)，具有更好的再生治療能力。

　　遺傳增強人間充質(zhì)干細胞在小鼠缺血后肢中再生的血管結構。劉光慧 供圖

　　效果不錯，但有沒(méi)有安全隱患?這是研究人員無(wú)法繞過(guò)的科學(xué)問(wèn)題。

　　緊接著(zhù)，劉光慧團隊及其合作者進(jìn)行了安全性評估。令他們驚訝的是，經(jīng)過(guò)基因編輯的間充質(zhì)干細胞雖然具有更強的自我更新能力，但植入小鼠體內后不會(huì )形成腫瘤。就算在許多癌基因同時(shí)激活的情況下，它也保持著(zhù)高度的基因組穩定性，對癌基因誘導的細胞惡性轉化具有很強的“抵抗力”。

　　更沒(méi)想到的是，對于胚胎干細胞會(huì )出現畸胎瘤這一問(wèn)題，他們發(fā)現，比起普通的胚胎干細胞，經(jīng)過(guò)基因編輯的胚胎干細胞產(chǎn)生畸胎瘤的能力大大被削弱，進(jìn)一步在治療“安全性”上增加了籌碼。

　　總而言之，通過(guò)僅僅置換NRF2編碼基因的一個(gè)堿基，干細胞既獲得了更強的再生修復能力，又在很大程度上減少了安全隱患，可謂“一石二鳥(niǎo)”。

　　遺傳增強的策略可標準化、規?；?、個(gè)性化

　　這類(lèi)遺傳增強的“超級”干細胞具有可標準化和可規?；膬?yōu)勢，未來(lái)或可適用于多種治療場(chǎng)景。目前，研究人員已經(jīng)就這項技術(shù)申請了發(fā)明專(zhuān)利。

　　但劉光慧也對澎湃新聞謹慎表示，他們猜想，這類(lèi)細胞的使用應該是有限制的。目前他們已經(jīng)證明這一遺傳增強策略在人類(lèi)間充質(zhì)干細胞和血管內皮細胞上適用，但尚未在所有細胞類(lèi)型中檢測它的有效性和安全性。例如，神經(jīng)干細胞的自我更新需要活性氧，而抗氧化轉錄因子NRF2增強后，神經(jīng)干細胞會(huì )不會(huì )受益?這尚是一個(gè)問(wèn)號。

　　“我們身體中的任何一種細胞類(lèi)型，理論上都有它們喜愛(ài)的獨特的內外環(huán)境。”劉光慧說(shuō)，類(lèi)似神經(jīng)干細胞的遺傳增強策略可另做個(gè)性化設計。

　　中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院營(yíng)養科學(xué)研究所研究員丁秋蓉未參與該項研究，她對澎湃新聞表示，劉光慧及其合作者提出的對干細胞進(jìn)行“遺傳增強”的策略具有很廣泛的應用前景。

　　“(這)可廣泛用于再生醫學(xué)，加強對干細胞移植物的調控，使其更好地和組織工程等技術(shù)融合，在體外細胞大規模制備、類(lèi)器官功能模塊構建，體內定向分化、移植入類(lèi)器官血管化和神經(jīng)化進(jìn)程、機體微環(huán)境改善和組織修復等過(guò)程中更具導向性和可控性，促進(jìn)其臨床轉化。”丁秋蓉說(shuō)。

　　“當然，遺傳密碼的改變需要很慎重，需要在基于對修改后細胞特性充分認識，體內安全性充分評價(jià)的基礎上進(jìn)行。”丁秋蓉補充說(shuō)。