在一項合作研究中，來自九州大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員已經(jīng)確定了一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)可以將成纖維細(xì)胞(皮膚和結(jié)締組織中最常見的細(xì)胞)轉(zhuǎn)化或“重新編程”成纖維細(xì)胞，使其具有與肢體祖細(xì)胞相似的特性。研究人員的研究結(jié)果發(fā)表在《Developmental Cell》雜志上，增強(qiáng)了我們對肢體發(fā)育的理解，并為未來的再生治療奠定了基礎(chǔ)。
在全球范圍內(nèi)，近6000萬人患有肢體喪失。截肢可能是由于腫瘤、感染和出生缺陷等各種醫(yī)療條件造成的，也可能是由于工業(yè)事故、交通事故和地震等自然災(zāi)害造成的創(chuàng)傷。肢體受傷的人通常依賴于合成材料和金屬假肢，但許多研究人員正在研究肢體發(fā)育的過程，目的是將再生療法或自然組織替代作為一種潛在的治療方法更進(jìn)一步。
在肢體胚胎發(fā)育過程中，肢體芽中的肢體祖細(xì)胞產(chǎn)生了大多數(shù)不同的肢體組織，如骨、肌肉、軟骨和肌腱。因此，建立一種簡單易行的方法來制造這些細(xì)胞是很重要的，”首席研究員Yuji Atsuta博士解釋說，他在哈佛醫(yī)學(xué)院開始處理這個項目，并在九州大學(xué)科學(xué)研究生院擔(dān)任講師。
目前，直接從胚胎中獲取肢體祖細(xì)胞是一種常見的方法，但就人類胚胎而言，這引發(fā)了倫理問題?；蛘?，它們可以用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來制造——成年細(xì)胞被重新編程為胚胎樣狀態(tài)，然后可以被誘導(dǎo)成特定的組織類型。Atsuta及其同事開發(fā)的新方法直接將成纖維細(xì)胞重編程為肢體祖細(xì)胞，繞過誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，簡化了過程并降低了成本。它還減輕了對細(xì)胞癌變的擔(dān)憂，這通常發(fā)生在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中。
在研究的初始階段，研究人員觀察了小鼠和雞胚胎早期肢體芽中表達(dá)的基因。體內(nèi)幾乎所有細(xì)胞，包括成纖維細(xì)胞和肢體祖細(xì)胞，都含有相同的基因組DNA，但由于基因表達(dá)的變化(換句話說，哪些基因是活躍的，細(xì)胞產(chǎn)生哪些蛋白質(zhì))，每種細(xì)胞類型的不同特性和功能在發(fā)育過程中出現(xiàn)。細(xì)胞中控制基因表達(dá)的一種方式是通過稱為轉(zhuǎn)錄因子的特定蛋白質(zhì)。
研究小組確定了18個基因，其中大部分是轉(zhuǎn)錄因子，與其他組織相比，這些基因在早期肢體芽中表達(dá)得更高。他們從小鼠胚胎中培養(yǎng)成纖維細(xì)胞，并使用病毒載體將這18種基因?qū)氤衫w維細(xì)胞，使細(xì)胞產(chǎn)生這18種蛋白質(zhì)因子。他們發(fā)現(xiàn)，修飾后的成纖維細(xì)胞具有這些特性，并顯示出與肢體芽中發(fā)現(xiàn)的自然發(fā)生的肢體祖細(xì)胞相似的基因表達(dá)。
接下來，通過一系列的實驗，研究人員縮小了他們的選擇范圍，并確定只有三種蛋白質(zhì)因子是將小鼠成纖維細(xì)胞重編程為肢體祖細(xì)胞樣細(xì)胞所必需的:Prdm16, Zbtb16和Lin28a。第四種蛋白質(zhì)Lin41幫助培養(yǎng)的肢體祖細(xì)胞生長和繁殖得更快。
研究人員不僅證實了重編程肢體祖細(xì)胞與天然肢體祖細(xì)胞具有相似的基因表達(dá)，而且具有相似的能力。“這些重新編程的細(xì)胞不僅是分子模擬物;我們已經(jīng)證實了它們發(fā)展成特殊肢體組織的潛力，無論是在實驗室培養(yǎng)皿(體外)還是在生物體(體內(nèi))中，”Atsuta說。“體內(nèi)測試尤其具有挑戰(zhàn)性，因為我們必須將重新編程的小鼠細(xì)胞移植到雞胚胎的肢體芽中。”
在這些實驗中，研究人員使用了慢病毒，它將基因直接插入受感染細(xì)胞的基因組中，從而增加了細(xì)胞變成癌癥的風(fēng)險。相反，該團(tuán)隊正在考慮其他更安全的載體，如腺相關(guān)病毒或質(zhì)粒，它們將基因傳遞到細(xì)胞中，而不將基因插入基因組中。
Atsuta的實驗室小組現(xiàn)在正試圖將這種方法應(yīng)用于人類細(xì)胞，用于未來的治療應(yīng)用，也應(yīng)用于蛇，蛇的祖先有肢體，后來在進(jìn)化過程中失去了肢體。“有趣的是，重新編程的肢體祖細(xì)胞產(chǎn)生了類似肢體芽的類器官，因此似乎有可能在不再擁有肢體組織的物種中產(chǎn)生肢體組織。對無肢蛇的研究可以揭示發(fā)育生物學(xué)的新途徑和新知識。”
Direct reprogramming of non-limb fibroblasts to cells with properties of limb progenitors
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