2012年問(wèn)鼎諾獎(jiǎng)、2020年榮登Nature封面[1]、最強(qiáng)抗衰老公司Altos豪擲30億美元巨資入局、最新發(fā)現(xiàn)僅13天可讓皮膚細(xì)胞年輕30歲[2]……從科學(xué)研究一片繁榮，到資本市場(chǎng)愈加青睞，萬(wàn)千光環(huán)齊聚一身，它就是當(dāng)下衰老領(lǐng)域研究“寵兒”——表觀遺傳重編程。

距離上次報(bào)道不過(guò)才寥寥數(shù)日，重編程領(lǐng)域又再次交上令人贊嘆的答卷。上周，國(guó)際頂級(jí)科學(xué)雜志Nature發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究，我國(guó)知名學(xué)者、北京大學(xué)鄧宏魁教授團(tuán)隊(duì)利用化學(xué)小分子成功誘導(dǎo)人體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槎酀撃芨杉?xì)胞，開(kāi)辟了人類多潛能干細(xì)胞制備的全新途徑[3]。

圖注：“人類體細(xì)胞化學(xué)重編程為多能干細(xì)胞”，4月13日正式發(fā)表于頂級(jí)期刊Nature

逆轉(zhuǎn)細(xì)胞命運(yùn)，

重編程技術(shù)大有可為

寒來(lái)暑往，四季更迭，萬(wàn)物皆有運(yùn)行規(guī)律，細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育亦是如此。從受精卵開(kāi)始，細(xì)胞逐漸分裂、分化，成長(zhǎng)為行使不同功能的成熟體細(xì)胞，再經(jīng)歷增殖、衰老到凋亡。曾經(jīng)，學(xué)界認(rèn)為，這種細(xì)胞“程序化”的命運(yùn)無(wú)法被逆轉(zhuǎn)，且高度分化的成熟體細(xì)胞穩(wěn)定、不能跨越“表觀遺傳屏障”轉(zhuǎn)分化為其他細(xì)胞類型，因?yàn)檫@對(duì)于維持機(jī)體正常組織功能至關(guān)重要[4, 5]。

然而，隨著生命科學(xué)與再生醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，這一觀點(diǎn)受到了挑戰(zhàn)。20世紀(jì)60年代，多位學(xué)者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)成熟細(xì)胞進(jìn)行核移植，能使其轉(zhuǎn)化為具有受精卵特性的細(xì)胞，重獲新生[6, 7]。此后，細(xì)胞可塑性成為了學(xué)界深入研究的重點(diǎn)。

終于，在2006年，由日本學(xué)者山中伸彌主導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)誘導(dǎo)四種特定的轉(zhuǎn)錄因子（后被稱為“山中因子”），成功將成年小鼠的成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)為多潛能干細(xì)胞(iPSCs)[8]，并在一年后（2007年）完成了對(duì)人體細(xì)胞的誘導(dǎo)重編程[9]。

iPSCs技術(shù)極大加速了再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，解決了長(zhǎng)久來(lái)橫亙?cè)谌祟惣?xì)胞治療中的難題（如倫理限制）。2012年，iPSCs與體細(xì)胞核移植技術(shù)一道，榮獲諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

圖注：左為英國(guó)科學(xué)家約翰·戈登，右為日本科學(xué)家山中伸彌，獲獎(jiǎng)理由為“發(fā)現(xiàn)成熟細(xì)胞可被重編程轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄苄浴?/p>

但很快，iPSCs技術(shù)也遭遇到巨大挑戰(zhàn)，其一便是令人聞之色變的致癌性。大多數(shù)重編程方法都通過(guò)病毒載體引入轉(zhuǎn)錄因子實(shí)現(xiàn)，但完成轉(zhuǎn)導(dǎo)后，這些病毒載體也會(huì)將外源基因整合進(jìn)宿主基因組中，增加部分細(xì)胞的增殖與轉(zhuǎn)化，并提升腫瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[10]（事實(shí)上，后續(xù)跟蹤報(bào)道也發(fā)現(xiàn)，參與山中因子相關(guān)研究的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，多數(shù)死于癌癥）。

重編程技術(shù)再升級(jí)，

終實(shí)現(xiàn)人類體細(xì)胞安全誘導(dǎo)

一邊是無(wú)可限量的干細(xì)胞應(yīng)用潛力，一邊又是無(wú)法被忽視的癌癥風(fēng)險(xiǎn)，如何改進(jìn)重編程技術(shù)，自然成為了全球?qū)W者下一步的目標(biāo)。

很快，研究人員們就發(fā)現(xiàn)了幾種可替代傳統(tǒng)病毒載體的無(wú)基因組整合轉(zhuǎn)導(dǎo)方法，大大降低了腫瘤發(fā)生概率，如利用mRNA（信使RNA）作為載體，或借助無(wú)法進(jìn)入宿主細(xì)胞核的仙臺(tái)病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)，但誘導(dǎo)過(guò)程中的穩(wěn)定性不足及轉(zhuǎn)導(dǎo)效率較低，仍成為了療法的掣肘之處[11]。

2013年，iPSCs領(lǐng)域迎來(lái)了一次前所未有的重大機(jī)遇。來(lái)自我國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)率先發(fā)現(xiàn)，僅需組合七種小分子化合物，即可將小鼠體細(xì)胞重新編程為多潛能干細(xì)胞（稱為CiPSCs）[12]，該研究也發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Science，轟動(dòng)一時(shí)。

相比較基因轉(zhuǎn)導(dǎo)，化學(xué)重編程法在穩(wěn)定性、透過(guò)性、基因組整合風(fēng)險(xiǎn)及試驗(yàn)條件控制上，都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步[11]。然而，由于人類體細(xì)胞表觀遺傳調(diào)控的復(fù)雜性，如何逆轉(zhuǎn)人體細(xì)胞命運(yùn)，一直以來(lái)都是化學(xué)重編程面臨的巨大挑戰(zhàn)。這次，還是那個(gè)中國(guó)團(tuán)隊(duì)，帶來(lái)了全新的發(fā)展契機(jī)。

No.1

多項(xiàng)分子篩選，人類細(xì)胞重編程終傳捷報(bào)

綜合以往多年的研究積累[12-14]，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)篩選，發(fā)現(xiàn)在多種表觀遺傳調(diào)節(jié)劑和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)抑制劑的共同作用下，人體細(xì)胞中與去分化、再生能力相關(guān)的多種基因終于被激活，并擇優(yōu)選出五種小分子（CHIR99021、PD0325901、SB590885、IWP2和Y27632），成功喚醒了多能性基因網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了人類化學(xué)誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞（hCiPS細(xì)胞）。

與此同時(shí)，后續(xù)試驗(yàn)還證實(shí)，hCiPS細(xì)胞擁有了與人類胚胎干細(xì)胞相似特性：體外培養(yǎng)中可通過(guò)形成胚狀體而分化出三胚層細(xì)胞，可定向分化產(chǎn)生造血祖細(xì)胞、肝細(xì)胞及神經(jīng)干細(xì)胞。

圖注：從成纖維細(xì)胞化學(xué)重編程為hCiPS細(xì)胞的示意圖

No.2

明確重編程核心階段，關(guān)鍵小分子被鎖定

為了摸清人類體細(xì)胞化學(xué)重編程的軌跡，學(xué)者們?cè)俣乳_(kāi)展了精確到單細(xì)胞層面的分析，并確定重編程過(guò)程中的三個(gè)連續(xù)關(guān)鍵階段。

（1）第一階段：激活去分化與再生相關(guān)基因

在此階段中，體細(xì)胞關(guān)聯(lián)程序被下調(diào)，而多種參與胚胎發(fā)育、細(xì)胞增殖的基因被明顯上調(diào)，且激活了這些特定基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，細(xì)胞表觀遺傳修飾呈現(xiàn)與去分化、再生基因激活相關(guān)的整體低甲基化狀態(tài)[15]。

（2）第二階段：XEN（原始內(nèi)胚層）程序激活

該階段內(nèi)高度表達(dá)與原始內(nèi)胚層（XEN）相關(guān)的基因與轉(zhuǎn)錄因子，并在末期由XEN樣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>多能細(xì)胞狀態(tài)。

（3）第三階段：建立細(xì)胞多能網(wǎng)絡(luò)

最后一階段，細(xì)胞高度表達(dá)幼稚多能干細(xì)胞的標(biāo)志物，此類干細(xì)胞在適宜條件誘導(dǎo)下，具有無(wú)限增殖的能力[16]。

此外，學(xué)者們還成功發(fā)現(xiàn)了上述各階段中的關(guān)鍵化學(xué)小分子，例如，在第一階段里，小分子CHIR99021、616452及TTNPB顯著影響了再生基因LIN28A激活，抑制體細(xì)胞程序下調(diào)，而JNKIN8可恢復(fù)細(xì)胞可塑性特征。這些調(diào)控內(nèi)源性細(xì)胞途徑和表觀遺傳靶點(diǎn)的小分子，通過(guò)化學(xué)協(xié)同作用，成功將人類體細(xì)胞從緊密鎖定的分化狀態(tài)中“解放出來(lái)”。

時(shí)光派點(diǎn)評(píng)

研習(xí)今日這項(xiàng)重磅研究時(shí)，筆者真切感受到，多年來(lái)團(tuán)隊(duì)全體付諸其上的巨大努力，雖推文中研究的核心結(jié)果被筆者凝練，篇幅不過(guò)千字，但可以毫不夸張說(shuō)，任何一種化學(xué)小分子的篩選都耗時(shí)長(zhǎng)久、需投注眾多精力，而隨后多種小分子間的各類組合，更是需要科研人員們反復(fù)試驗(yàn)與推敲。

此外，相比先前轉(zhuǎn)錄因子重編程的改良版“不完全重編程”（因?yàn)榭梢越档湍[瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)），今日成功逆轉(zhuǎn)了人類體細(xì)胞命運(yùn)的化學(xué)重編程，路徑更加清晰，不僅明確了核心的細(xì)胞誘導(dǎo)階段，更是找到調(diào)控不同階段的關(guān)鍵化學(xué)小分子。自此，再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展與細(xì)胞重編程的應(yīng)用必將走向一個(gè)全新階段。

回首表觀重編程向來(lái)之路，可謂璀璨無(wú)比。從大幅逆轉(zhuǎn)衰老生物標(biāo)志物開(kāi)始，到“抗衰教父”辛克萊與中國(guó)大弟子成功實(shí)現(xiàn)活體重編程，再到前首富貝索斯攜巨資入局，多項(xiàng)重要成果井噴式涌現(xiàn)（文末點(diǎn)擊卡片跳轉(zhuǎn)原文查看），重編程技術(shù)已經(jīng)成為再生醫(yī)學(xué)與衰老科學(xué)中的熱點(diǎn)話題，其巨大抗衰潛力更是讓人充滿期待，時(shí)光派也將以“重編程技術(shù)發(fā)展與突破”為話題，另撰文再與各位讀者開(kāi)展深入探討。

研究由北京大學(xué)鄧宏魁教授主導(dǎo)。鄧宏魁教授，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院盧實(shí)春教授與北京大學(xué)王金琳博士為該研究成果的共同通訊作者。北京大學(xué)關(guān)景洋、王冠、王金琳、張正元、傅瑤、成林、孟高帆、呂鈺麟為研究主要作者。北京大學(xué)李程教授為該研究的生物信息學(xué)分析提供了重要指導(dǎo)。

該項(xiàng)工作獲得了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等支持。

—— TIMEPIE ——

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