Nature 重組細胞微環(huán)境的重要性

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眾所周知，利用重編程成體細胞獲取造血干細胞是十分困難的。有研究說明，具有支持性的微環(huán)境可能對于有效獲取造血干細胞，是很關(guān)鍵的。骨髓移植可以救人一命，但是有大量需要骨髓移植的患者卻不得不面對這樣一個現(xiàn)實——缺少適合的供體，對那些來自少數(shù)民族的人而言，更是如此。各種血細胞的前體被稱為造血干細胞，它們是骨髓移植的核心，由于，當(dāng)通過靜脈把造血干細胞注入患者體內(nèi)時，這些細胞會遷移并灌注到骨髓內(nèi)，最終再生各種血細胞系。因此，解決供體缺乏的其中一個方法，就是設(shè)法獲得患者來源的造血干細胞。然而，這一方法并不簡單，首先，灌注遺傳工程干細胞就是一個難題，此外，在試驗室內(nèi)培養(yǎng)細胞，很難維持這些細胞的干細胞特性。Sandler等人等人進行了研究，建立了一種解決上述難題的獲取造血干細胞的方法。在他們具有重大意義的試驗中，干細胞生物學(xué)家ShinyaYamanaka及KazutoshiTakahashi將皮膚成纖維細胞進行重組，使其處于“重置〞狀態(tài)。研究者對一系列的候選轉(zhuǎn)錄因子進行了篩選，最終使用由四個因子組成的組合，用于誘導(dǎo)細胞進入完全細胞去分化狀態(tài)。這些重組細胞，被稱為誘導(dǎo)多潛能干（iPS）細胞，理論上可以分化形成身體內(nèi)任意類型細胞。然而，事實證明，將這些iPS細胞誘導(dǎo)分化形成具有功能性的成體組織，是十分困難的，原因在于，我們目前還缺少體外細胞編程這一繁雜過程的充分了解。因此，將造血干細胞（HSC）誘導(dǎo)分化的方法，最終往往獲得的是胚胎樣血細胞，并不能有效灌注進入骨髓。

另外一個方法，是直接將成體細胞進行重編程，使其分化成為另一細胞系，而不經(jīng)過多潛能細胞階段。成體成纖維細胞已經(jīng)被成功重編程，形成若干種不同類型的細胞，其中，包括神經(jīng)元、心臟細胞和肝臟細胞。去年，研究者使用四種轉(zhuǎn)錄因子（Gata2、cFos、Gfi1b及Etv6），對小鼠成纖維細胞進行重編程，獲得了表達HSC表面標(biāo)記物的細胞，這些細胞可以在體外分化形成血細胞前體細胞（圖1）。但是，這些重編程細胞在進行移植后，無法有效地灌注入骨髓。

圖1尋覓誘導(dǎo)造血干細胞生成的轉(zhuǎn)錄因子。此圖展示了文中所述三個試驗中所使用的轉(zhuǎn)錄因子及其重合部分。三個試驗中，研究者力求分別從三種不同類型成體細胞類型獲得誘導(dǎo)性造血干細胞（iHSC）。這三種類型的細胞分別是：小鼠成纖維細胞（候選轉(zhuǎn)錄因子用藍色圈表示），小鼠白細胞（粉色）及人臍帶靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC，綠色）。對這些轉(zhuǎn)錄因子進行系統(tǒng)篩除分析，最終鑒定出能夠生成iHSC的轉(zhuǎn)錄因子（黑體字，字體顏色表示哪種轉(zhuǎn)錄因子組合可以成功重編程相應(yīng)細胞類型）。Sandler等研究發(fā)現(xiàn)，從HUVEC獲得iHSC需要四種轉(zhuǎn)錄因子：FOSB、GFI1、RUNX1和PU.1。

在胚胎發(fā)育時期，HSC形成于主動脈壁的血管細胞，而且這些細胞持續(xù)需要來自血管組織或其微環(huán)境的信號，來維持生長及正常功能。Sandler等由此推斷，可以通過使用與HSC生長起源相像的細胞類型，并且將這些細胞在與HSC生長微環(huán)境相像的環(huán)境中進行培養(yǎng)，從而提高細胞重編程，及維持誘導(dǎo)性造血干細胞（iHSC）的自我更新能力。

研究者分開了人臍帶靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC），并誘導(dǎo)其表達26種在HSC中表達豐富，但在HUVEC中不表達的轉(zhuǎn)錄因子。研究者采用不含血清的培養(yǎng)基培養(yǎng)上述細胞，由于血清會干擾HSC的存活，尋常而言，在細胞培養(yǎng)基內(nèi)都含有血清，由于血清內(nèi)含有生長因子，可以促進細胞增殖。Sandler等人將這些細胞置于飼養(yǎng)細胞層；這些細胞層內(nèi)會釋放一些因子，使其環(huán)境與HSC在人體內(nèi)的微環(huán)境相像。被稱作E4EC的飼養(yǎng)細胞來源于血管內(nèi)皮細胞，經(jīng)過遺傳工程改造，過量表達一種腺病毒基因E4ORF1，從而有利于其存活，但并不促進增殖，由此創(chuàng)造了一個與HSC在人體內(nèi)相像的微環(huán)境。

Sandler等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在上述微環(huán)境內(nèi)培養(yǎng)HUVEC時，其中有些細胞可以形成造血干細胞克隆。當(dāng)系統(tǒng)地對26個轉(zhuǎn)錄因子進行篩除時發(fā)現(xiàn)，有4個因子——FOSB、GFI1、RUNX1

和PU.1可以在HUVEC重編程過程中發(fā)揮作用（圖1）。為確保這一方法的成功，必需同時將原始細胞的性質(zhì)進行抑制，使其獲得新的性質(zhì)。研究者們推測，PU.1與GFI1協(xié)同下調(diào)血管形成基因，可能FOSB也參與其中，而PU.1和RUNX1則協(xié)同上調(diào)造血干細胞特異性的基因。進行重編程的HUVEC變成了具有自我更新能力的HSC，把這些細胞灌注到免疫缺乏的小鼠骨髓內(nèi)，最終分化形成了成熟血細胞。今年上半年，另外一個研究小組發(fā)表了他們的研究結(jié)果：他們成功將來自小鼠的成熟白細胞轉(zhuǎn)化成了可以灌注入骨髓、能夠形成各種血細胞系的HSC。他們使用了6個轉(zhuǎn)錄因子

（Runx1t1、Hlf、Lmo2、Prdm5、Pbx1及Zfp37）進行細胞重組，而且這些重組細胞在小鼠體內(nèi)發(fā)育成熟，并形成iHSC（圖1）。從這一研究可以推測，可能細胞在原本的HSC微環(huán)境內(nèi)發(fā)育生長，可以促進其存活，并最終形成iHSC。令人驚奇的是，將Sandler小組的研究，與其它采用重組小鼠白細胞或成纖維細胞的方法進行比較，會發(fā)現(xiàn)每一種方法中都是用了不同的轉(zhuǎn)錄因子組合“雞尾酒〞來生成iHSC。這有可能是由于研究對象的種系差異，每種細胞類型對不同轉(zhuǎn)錄因子的反應(yīng)有所不同所造成的，又或者是每種細胞類型的不同表觀遺傳學(xué)狀態(tài)的差異所致，也就是說，盡管DNA序列沒有改變，基因組修飾可以影響基因表達。與這種表觀遺傳推斷相呼應(yīng)的是，Sandler等人所使用的轉(zhuǎn)錄因子“雞尾酒〞無法對來源于胚胎干細胞的內(nèi)皮細胞進行重編程，但是可以對成人皮膚微血管內(nèi)皮細胞進行重編程。

值得注意的是，在上述三個研究中，參與細胞重組的因子間極其有限的重合，也說明白在起始進行挑揀這些因子時，所包括的候選因子就有所不同。的確，即使在每個研究中都基于HSC的選擇性表達進行挑揀候選因子，只有兩個因子（RUNX1及MEIS1）是在三個試驗中都出現(xiàn)的。因此，想要得出有關(guān)細胞特異性及生成iHSC所需的轉(zhuǎn)錄因子方面的確定性結(jié)論，還需要科學(xué)家做進一步的研究分析。而采用三種不同分子組合最終得到同一個結(jié)果的事實，也說明白生成iHSC過程中的多樣選擇。使用成人內(nèi)皮細胞進行重編程，意味著其在基因編輯及血液疾病的細胞學(xué)治療方面，具有重大的意義。盡管HSC一直以來都是一個備受青睞的基因治療靶點，但是難以在體外對其進行培養(yǎng)限制了該細胞的應(yīng)用。而承認(rèn)內(nèi)皮細胞則可以在培養(yǎng)基內(nèi)存活數(shù)天，而不會丟失重編程功能，因此，我們完全有可能使用患者特異性的內(nèi)皮細胞，進行純化、遺傳修改、選擇，并最終進行重編程，從而獲得iHSC。

但是，對于所有在培養(yǎng)基內(nèi)培養(yǎng)的干細胞而言，癌變的風(fēng)險總是存在的。盡管Sandler等人在將iHSC移植到小鼠體內(nèi)10個月內(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)有癌變的跡象，但是，大部分在生成iH