Cell Res：刘光慧等通过单碱基基因编辑重塑超级干细胞
2017-07-08 MedSci MedSci
日前，中科院生物物理所刘光慧课题组、北京大学汤富酬课题组和中科院动物所曲静课题组联合开展的研究进一步拓展了基因编辑技术的应用范围。研究人员利用基因编辑改写了人类基因组遗传密码中的单个碱基，首次在实验室中获得了遗传增强的“超级”干细胞（Genetically Enhanced Stem cells，GES细胞）。这种GES细胞能够对细胞衰老和致瘤性转化产生双重抵抗作用，因此为开展安全有效的干细胞治疗
从提高农作物的抗病能力，到原位编辑动物遗传密码，再到靶向摧毁发生基因突变的线粒体，乃至特异性矫正病人细胞中的致病基因突变，基因编辑技术的迅猛发展正在为人类的健康和生活带来不同层面的改变。日前，中科院生物物理所刘光慧课题组、北京大学汤富酬课题组和中科院动物所曲静课题组联合开展的研究进一步拓展了基因编辑技术的应用范围。研究人员利用基因编辑改写了人类基因组遗传密码中的单个碱基，首次在实验室中获得了遗传增强的“超级”干细胞（Genetically Enhanced Stem cells，GES细胞）。这种GES细胞能够对细胞衰老和致瘤性转化产生双重抵抗作用，因此为开展安全有效的干细胞治疗提供了可能的解决途径。该研究工作于2017年7月7日以“Genetic enhancement in cultured human adult stem cells conferred by a single nucleotide recoding”为题发表于Cell Research。
再生医学领域存在两个亟待解决的重要科学问题：（1）干细胞治疗的有效性，即如何获得更多高质量的可供移植治疗的人类干细胞，如何赋予这些细胞移植物更强的自我更新、存活、定向分化以及对移植环境（如衰老与应激）的耐受能力，以便令其在体内发挥更为持久的治疗效果。（2）干细胞治疗的安全性，即如何有效降低细胞移植物在体内形成肿瘤的风险。最新发表的这项研究工作聚焦于上述两个重要问题，期望通过基因编辑手段对细胞内的关键基因和信号通路进行精确调控，从而同时实现干细胞活力的提高及致瘤性的减弱，最终获得优质安全的人类干细胞移植物。
研究人员通过筛选可以延缓干细胞衰老的小分子化合物，发现抗氧化转录因子NRF2的激动剂能延缓人类早衰症患者间充质干细胞的加速衰老。在既往的低等模式生物研究中，NRF2的缺失会导致生物体寿命缩短，反之其过表达则有助于寿命的延长。而生物物理所研究团队2016年发表在Cell上的文章和此项研究则进一步揭示人类间充质干细胞的衰老伴随着NRF2蛋白水平的显著下调；反过来，NRF2的功能增强又能够改善衰老间充质干细胞的活力。因此，研究人员推测在编码基因水平增强NRF2的活性或许能够延缓人类干细胞的衰老。为了证明这一点，他们利用第三代腺病毒载体HDAdV介导的基因编辑技术在人类胚胎干细胞中置换了NRF2基因第2号外显子中的单一核苷酸（A245G）。这一单碱基置换使得细胞中的NRF2蛋白脱离了其抑制蛋白KEAP1的束缚，进而通过转位至细胞核，激活一系列抗氧化和细胞保护基因的表达。
随后，研究人员将基因编辑的人类胚胎干细胞定向诱导分化成为具有治疗潜力的间充质干细胞，并发现这些间充质干细胞的自我更新以及抵抗应激和细胞衰老等能力均获得了显著增强。此外，由该种胚胎干细胞定向诱导分化而来的血管内皮细胞也表现出强大的抵御氧化损伤的能力。这些结果均说明该遗传增强策略能够赋予人类干细胞及其分化衍生物更强的活性和自我保护能力。
与此同时，研究人员还考察了GES细胞在经过体内移植之后是否也会具有更强的存活、整合和组织修复能力。研究结果表明，将上述GES细胞移植入小鼠体内后能够表现出更强的存活和整合能力，并能够显著促进缺血损伤模型小鼠后肢血流的恢复，证明GES细胞在移植后能够表现出优于普通干细胞的再生修复能力。
图1. 遗传增强型人类间充质干细胞抵抗细胞衰老，在连续传代后仍可保持较低的衰老相关b-半乳糖苷酶活性及较长的端粒（上）；一系列NRF2下游抗氧化和细胞保护基因的表达在遗传增强型间充质干细胞中协同上调（中）；遗传增强型间充质干细胞具有对小鼠后肢缺血损伤更好的治疗作用（下）
研究人员也同时开展了针对遗传增强策略的安全性评价，发现尽管GES细胞具有更强的自我更新能力和体外传代寿命，但是在移植入免疫缺陷小鼠体内后并不会形成肿瘤。令人兴奋的是，GES细胞还表现出对癌基因诱导的细胞恶性转化的强抵抗作用。在诸多癌基因激活的情况下，GES细胞仍然保持着高度的基因组稳定性，移植入免疫缺陷小鼠体内后不会形成肿瘤。更有趣的是，经过遗传增强的人类胚胎干细胞在免疫缺陷小鼠体内仅能产生比对照胚胎干细胞小得多的畸胎瘤。该实验提示，即便GES细胞移植物中残留了少量未分化的多能干细胞，其在体内形成畸胎瘤的能力也已被大大削弱，这就进一步降低了利用遗传增强型干细胞进行细胞移植治疗的安全风险。
图2. 遗传增强型人类间充质干细胞对癌基因诱导的细胞恶性转化具有强抵抗作用，仍然能够维持基因组的稳定（上），移植入免疫缺陷小鼠体内后不会形成肿瘤（下左）；遗传增强型人胚胎干细胞仅能形成相对较小的畸胎瘤（下右）
综上所述，该研究首次利用基因编辑技术实现了人类干细胞的遗传增强，并从概念上证明了利用该策略获得优质安全细胞移植物的可行性。通过NRF2基因的单碱基置换可以赋予人类干细胞更强的抵御应激和衰老的能力，以及在体内更好的留存和再生修复功能，甚至对干细胞癌变的抵抗活性。该研究的意义不仅在于创造了一种优质安全的人类间充质干细胞，更重要的是为针对不同组织类型及疾病特性设计不同遗传增强方案的研究奠定了基础，使得规模和标准化制备优质安全的人类细胞移植材料成为可能。
图3. 利用基因编辑介导的遗传增强策略获得优质安全的人类干细胞移植材料
据悉，该研究工作由中科院生物物理所、北京大学、中科院动物所和首都医科大学宣武医院等机构合作完成。中科院生物物理所刘光慧研究员、北京大学汤富酬研究员以及中科院动物所曲静研究员为共同通讯作者。中科院生物物理所博士研究生杨济平和北京大学博士研究生李静宜为并列第一作者。
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刘光慧研究员简介：
中科院生物物理研究所研究员，中国科学院大学岗位教授。国家杰出青年科学基金获得者，干细胞国家重大科学研究计划（973）项目首席科学家。现任中国老年医学学会基础与转化医学分会副会长，中国老年医学研究机构联盟副主任委员，中国老年学和老年医学学会抗衰老分会副主任委员，中国细胞生物学学会干细胞生物学分会委员，中国生物物理学会理事，Protein &Cell杂志副主编。近年来在基因编辑、干细胞和衰老领域取得了系列原创性研究成果。回国后以通讯或共同通讯作者身份在Nature，Science，Cell，Cell Stem Cell, Cell Res和Nature Commun等杂志发表系列研究论文。授权或申请发明专利（第一发明人）14项。获首届老年医学杰出贡献奖。
代表性研究成果
（1）利用诱导多能干细胞（iPSC）技术阐明儿童早衰症患者血管细胞退行的分子机理（Nature 2011）
（2）利用HDAdV介导的基因编辑技术实现儿童早衰症患者iPSC中致病突变基因的靶向矫正（Cell Stem Cell 2011）
（3）利用全基因组测序证明HDAdV和TALEN两种基因靶向矫正工具的安全性，并发展高效的基因编辑/矫正工具telHDAdV（Cell Stem Cell 2014）
（4）利用基因编辑技术建立人成年早衰症干细胞模型，揭示异染色质高级结构失序在人类衰老中的驱动作用（Science 2015）
（5）揭示长寿基因SIRT6通过激活NRF2调节人干细胞衰老和稳态的新机制（Cell Res 2016）
（6）利用基因编辑技术建立帕金森病的人类多能干细胞模型，揭示帕金森病的神经干细胞病变，发现干预帕金森病神经干细胞表型的候选化合物（Nature 2012）
（7）产生范可尼贫血症iPSC，利用基因编辑实现其致病基因靶向矫正，筛得改善范可尼贫血症造血前体细胞活力的候选化合物（Nat Commun 2014）
（8）利用基因编辑技术发展人类神经胶质母细胞瘤干细胞模型，筛得可精准杀伤PTEN缺失胶质母细胞瘤干细胞的候选化合物（Nat Commun 2015）
（9）利用基因编辑建立儿童早衰症干细胞研究体系，揭示FDA批准的NRF2激动剂奥替普拉可抑制儿童早衰症干细胞的加速衰老（Cell 2016）
（10）发展染色质三维动态成像工具TTALE，揭示核仁区rDNA重复序列的减损是人类衰老的新型分子标记物（Cell Res 2017）
（11）在渐冻人iPSC中实现SOD1和FUS基因的靶向矫正，揭示渐冻人运动神经元退行的早期分子标记物（Protein Cell 2017）
（12）利用基因编辑技术发展遗传增强型人类干细胞（GES细胞），使其同时获得对细胞衰老、外界应激及瘤性转化的抵抗（Cell Res 2017）
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47
#超级干细胞#
51
学习过了，谢谢分享！
93
祝贺！
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学习了新知识
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u就斤斤计较经济
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