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刘光慧课题组等首次获得遗传增强“超级”干细

发布时间:2017-12-03 阅读:

  刘光辉研究组首次获得“超级”干细胞的基因增强 - 新闻 - 科学网

  从提高作物的抗病能力到编辑动物遗传密码,到针对导致基因突变的线粒体甚至专门纠正患者细胞中的致病基因突变,基因编辑技术的快速发展正在为人类健康和生活带来不同层次的变化。

  近日,中国科学院生物物理研究所刘光辉研究小组,北京大学唐福薪组和中国科学院动物研究组联合开展的研究,进一步扩大了基因编辑技术的应用,研究人员利用基因编辑重写人类基因组遗传密码中的单个碱基,并在实验室中首次获得了遗传强化的超级干细胞(GES细胞)。该GES细胞对细胞衰老和致瘤性转化具有双重抗性,为安全有效的干细胞治疗提供了可能的解决方案。该研究发表在7月7日出版的“细胞研究”杂志上的单核苷酸重新编码赋予培养的人类成体干细胞的遗传增强。

  再生医学领域有两个重要的科学问题需要解决。首先,如何获得更高质量的人类干细胞进行移植,以及如何让它们更自我更新,生存,定向分化和对移植环境的耐受(如衰老和压力),以使其更持久的治疗身体;二是干细胞治疗的安全性,即如何有效减少细胞移植中发生肿瘤的危险。本研究发表的最新研究侧重于上述两个重要问题,希望通过基因编辑的方式精确调控细胞中的关键基因和信号通路,同时实现干细胞活力的提高和致瘤性的降低,最终实现高质量的安全人体干细胞移植。

  通过筛选减缓干细胞衰老的小分子化合物,研究人员发现,抗氧化转录因子NRF2的激动剂减缓了早衰患者间充质干细胞的加速衰老。在先前对生物学低水平模型的研究中,NRF2的缺失导致生物体寿命缩短,而过表达又延长了寿命。该生物物理研究小组在2016年发表的Cell文章中进一步揭示了人类间质干细胞衰老伴随着显着的NRF2蛋白水平下降;反过来,NRF2的功能可以提高老化荷电干细胞活性。因此,研究人员推测,在基因水平上增加NRF2的活性可能会延缓人类干细胞的衰老。

  为了证明这一点,研究人员利用第三代腺病毒载体HDAdV介导的基因编辑来替代人胚胎干细胞NRF2基因外显子2中的单核苷酸(A245G)。这种单碱基置换导致细胞中的NRF2蛋白从其抑制性蛋白质KEAP1的结合中脱离,从而通过易位至细胞核激活一系列抗氧化剂和细胞保护性基因表达。

  随后,研究人员将基因工程人胚胎干细胞分化为具有治疗潜力的间充质干细胞,发现这些间充质干细胞在自我更新和抵抗应激和细胞衰老方面显着增强。另外,由这种胚胎干细胞差异靶向的血管内皮细胞也表现出对氧化损伤的强抗性。这些结果表明,这种基因增强战略赋予人类干细胞及其分化衍生物更大的活性和自我保护。

  与此同时,研究人员还研究了GES细胞在体内移植后是否具有更大的存活,整合和组织修复能力。结果表明,上述GES细胞移植入小鼠体内具有较强的存活和整合能力,能显着促进缺血再灌注损伤小鼠后肢血流量,GES细胞移植后可显示出优于普通的干细胞再生修复能力。

  图1.遗传增强的人类间充质干细胞抵抗细胞衰老,并保持连续传代后低衰老相关的β-半乳糖苷酶活性和较长的端粒(上);一系列下游NRF2抗氧化剂和细胞保护基因的表达在基因增强的间充质干细胞中协同上调(在中);遗传增强的间充质干细胞对小鼠后肢缺血损伤具有更好的治疗效果(见下文)

  研究人员还对遗传增强策略进行了安全性评估,发现虽然GES细胞在体外具有较强的自我更新能力和寿命,但在移植到免疫缺陷小鼠体内后不会形成肿瘤。令人兴奋的是,GES细胞对癌基因诱导的细胞恶性转化也表现出强烈的抵抗力。在许多致癌基因的情况下,GES细胞仍然保持高度的基因组稳定性,并且在移植到免疫缺陷小鼠中时不会形成肿瘤。更有意思的是,基因增强的人类胚胎干细胞在免疫缺陷小鼠中只能产生比对照胚胎干细胞小得多的畸胎瘤。这个实验表明,即使少量未分化的多能干细胞留在GES细胞移植中,它们在体内形成畸胎瘤的能力也大大降低,进一步减少了用于细胞移植的基因增强的干细胞的使用。

  图2.遗传性增强的人类间充质干细胞对癌基因诱导的细胞恶性转化具有很强的抵抗力(左图)。遗传性增强的人类胚胎干细胞只能形成较小的畸胎瘤(右)

  综上所述,本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,并且这一概念证明了利用这一策略获得良好安全性的细胞移植的可行性。 NRF2基因的单碱基取代对人类干细胞的压力和老化具有更强的抵抗力,以及更好的体内滞留和再生修复,甚至对干细胞癌变的抵抗力。这项研究的意义不仅在于创造一个高质量,安全的人类间充质干细胞,而且更重要的是为研究设计针对不同组织类型和疾病特征的不同遗传增强程序,使质量和规模的规模化和标准化安全人体细胞移植材料成为可能。

  图3.使用基因编辑介导的遗传增强策略的高质量和安全的人类干细胞移植

  据悉,该研究工作由中国科学院生物物理研究所,北京大学动物研究所和首都医科大学宣武医院等机构完成。中国科学院生物物理研究所刘光辉研究员,北京大学唐福研究员兼中国科学院动物研究所研究员共同编着。中国科学院生物物理研究所博士生杨吉平与北京大学博士生李静怡并列第一作者。相关技术已申请发明专利。 (李辉宇)

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