重编程的未知及其他

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8 @0 T% p$ K* s# {本期《Cell》（Cell 145, June 10, 2011）基本上是干细胞专刊，大概是配合ISSCR年会。亚马纳卡和该杂志科学主编联手编选了几个近来的最新进展，包括Tet在维持多潜能和分化平衡上的关键作用，最新的多能干细胞和直接转分化手段分化心肌细胞进展，多能干细胞形成肠三维结构组织，以及iPSC在研究复杂疾病如精神分裂症中的作用等。不过，更有读头的是几篇关于当前“前沿”方向的评论。比较有趣的是四位研究者在“Reprogramming: What’s Unknown?”标题下，分享了各自关于重编程未知问题的见解；以及一片分析胚胎干和iPSC研究趋势的文章。选加编译，共赏之。
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4 ]: K% g- r1 w( \' x关于重编程的未知：# |) r8 j% Z) W) A  g

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George Daley用一贯的rhetoric口吻罗列了他认为重编程的一系列未知问题：什么样的分子水平互动触发了重编程？其精确的连环过程是怎样的？那些是随机的那些是“命定”的？那些步骤涉及细胞分裂？所有的细胞都遵循同样的途径跨国Waddingtong landscape(见下图)，还是有不同的道路、中间状态、以及死胡同？重编程能否模拟反映体内病理性去分化？去甲基化是主动还是被动过程？5hmC在重编程中起什么作用？卵泡浆是否存在促进因子诱导的重编程的因素？进一步的挑战性问题包括：能否制造不存在于自然发育和并且不受正常生理过程限制的新型细胞状态，例如分泌胰岛素的肝细胞或病理归巢于心梗组织转变为心肌细胞？甚至，重编程技术有一天会制造出一个全能的杂合子？结语是典型的Deley式新闻语：只有不可预期性的存在是可预期的。( U! q, E! ]2 j3 g" U  s+ L3 b
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与“能否制造不存在于自然发育过程的新型细胞”不谋而合的是来自德国的Elly Tanaka的个人兴趣所在：reprogramming cells to states that do not exist during embryonenesis。有迹象表明，再生过程中，前体细胞可以获得某种胚胎-成体杂合状态，即某种新的细胞形态，或者是某种部分重编程状态。理论上，这个现象涉及基因调控网络的新式组并在一定的时间共存。这些新组合是如何达成的？为达成这种杂合状态，控制基因调控的表观遗传机制在多深层次上需要被解除？能否制造出有（生理）意义的细胞杂合状态，诱导分化时它们又是如何解除这种状态的？目前的胚胎--成体杂合细胞状态还仅存在于特定细胞谱系内，能否制造出有价值的跨谱系杂合状态，或者这将完全违背基本的生物学铁律？" E0 o& d0 F1 R' @; E0 |: B

* w2 n) v# t3 O0 r$ m: z# y6 H来自英国剑桥的Azim Surani则从体内生殖细胞的自然重编程角度提示，目前的重编程研究急需整合体内及体外重编程的各层次因素，各种不同组织细胞的重编程情况，达成一个系统的认识，然后可以把目前的“随机重编程”提升为“命定”的重编程。他认为对核移植入卵子后的重编程以及成体细胞--干细胞杂合体的细胞融合的认识，将会为直接转分化实验提供基础。0 ?5 }6 Q7 B, F1 R$ ]
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而UCLA的Kathrin Plath着重从表观遗传控制和解除的角度来看待重编程，但同时指出，早期发育过程伴随有细胞核结构、DNA复制调控、以及染色质全局构造的重大变化，而且这类基因层面的重组是发生在胚层分化之前的。因此，有可能难以逆转（revert）这些基因层面的全局性改变，构成了重编程过程中多能基因激活和完全重编程的主要障碍。从这个角度来看，理解重编程低效率的原因，将有助于解释细胞分化的基本规律。
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9 {2 s5 t0 U6 z2 i# n  o除关于重编程的低效率和不明机理等“老生常谈”，有三位都不同角度提出所谓“新的杂合细胞状态”；与从技术上力求避免基因干预相对，另一位提出胚层分化前的全局性基因谱层面变化及其可逆性可能是重编程的主要障碍之一；不同角度将重编程与发育过程联系起来考虑虽是应有之题，不过几位的角度都有各自的意味。比如，卵泡浆内存在促因子诱导重编程因素的可能，亚马纳卡刚发表的Gli1就有这个意思。$ J4 c* ?: a& k; {5 o/ f. K

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胚胎干与iPSC研究的现状% h% p$ _$ p9 r* b

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. L1 _/ Q0 E0 u3 {( w. `2 I" ^5 j: M另一篇比较有意思的文章是总结并分析近十年来胚胎干以及iPSC发表的文章，以图证明iPSC的出现并没有导致胚胎干的研究变得无意义，所以出于宗教文化政治考虑减少甚至完全抛弃胚胎干的政策是要不得的。作者的出发点是：如果说重编程技术的出现确实扩展了多能细胞的来源以及干细胞研究的范围，那么应该在所发表的研究里看到四个趋势：人iPSC文章的发表应该显著快于胚胎干；不依赖于胚胎干的人iPSC研究数量增加；研究人iPSC的科学家更少担心研究材料和资助来源的限制；越来越多的不具有胚胎干经验的实验室从事人iPSC的研究。文章作者手迹了2086篇人胚胎干和iPSC文章，并面对面简短约谈了118位研究者。
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这篇研究的数据表达和分析有点与常见到的生物学研究不同（见下面的图）。基本的结论是iPSC的出现并没有减弱胚胎干研究的趋势。虽然iPSC在一开始的增长速度高于胚胎干，这多是因为iPSC的材料获取容易，不存在宗教政治争议，入门槛比较低，以及新技术引起的初始兴奋（言外之意，不是因为iPSC可以完全取代胚胎干）。相当大部分的最早iPSC研究者和实验室恰恰也是那些已经卓有成就和条件的胚胎干机构。这说明一来iPSC对没有多能干细胞经验的研究者并不是那么容易，二者同时研究胚胎干和iPSC的动机还是很高的，三来不少iPSC研究热的一个主要动机是科学好奇心和追随资助来源的实际考虑。换句话说，并非是因为iPSC可以取代胚胎干而更多是构成多能干细胞研究的一个新补充。从这些数据和分析来看，作者认为如果因为有了iPSC就减少或取消胚胎干研究的资助，最终其实将影响整个多能干细胞的研究。
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关于胚胎干和iPSC之争，以前都是主观意见的表达，这篇文章采用一些信息学和社会科学方法提出一些有趣的数据和看法。其实，从最近关于iPSC的表观遗传以及其他一些缺陷的研究来看，无论是正面或是反面的研究，都同时采取了两者甚至加上成体细胞的比较方法，这也从一个侧面反映了多潜能干细胞的研究必定不是某一类能完全涵盖的。在干细胞研究、重编程技术发展、发育学机制研究、再生医学应用角度，胚胎干、iPSC、直接转分化，甚至所谓非常态的“杂合细胞”，都是平台和可能性，而不是互相排他的。. x# K& i0 j8 W& L, f" \, y
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另一个值得提及的是关于Tet-5hmC与Oct2/Sox2机制相互协调，维持多潜能与分化的平衡。本期亚马纳卡和Cell科学编辑评选的前沿领域列为第一项，本期Cell还有一片关于Oct4/Sox2调控分化的文章，值得一提的是前一期Cell Stem Cell有篇观点文章，也是提出多潜能和分化一体两面的平衡机制说（参见"多潜能状态：脆弱的制衡”）。一方面是发现一个新的干细胞“干性”的关键机制，另一方面多能性维持因子同时也是分化关键机制，三来多潜能和分化这两大“干性”可能以后就统一起来考虑了。
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1 T/ {+ _" k7 {天下大势，分久必合，殊途同归。前文说争，此文说合。iPSC与胚胎干比肩、多潜能与分化合体、重编程与发育关联、甚至出现一些新的杂合“物种”，干细胞研究只是个领域和平台，目的是揭示生物奥秘并找到改造疾病状态的方法，研究思路和手段上，分也是合，争也是为了合。. H! O% H$ }; h# {, [# h
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' a( E! n& {% p' _( \Progressive ESC Differentiation into Germ Layer Progenitors by Breakdown of the/ b2 h+ N, E$ K+ o
Pluripotency Transcriptional Circuit- W1 F% |1 h* V, o" J

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0 P) l8 U& C5 U3 C6 H5 t' ^$ z4 DFigure 2. Proportion of Research by Cell Line Type Used( F' |( _8 t+ n5 ]8 R# m0 L; I

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Figure 4. Network of Last Authors Using hiPSCs4 N) |( d9 _, }& _% P6 u
This network image represents coauthorship connections among the 69 last authors working with hiPSCS in 2008–2009. - |+ {  `8 J2 C& g# L
The large network on the left side of the figure includes 33 (47.83%) authors, dominated by researchers at Harvard University
6 ^- c* i$ d7 }3 {! u  z2 ~( b5 a, uand the University of Wisconsin. The ‘‘star’’ in the center contains five last authors connected to Shinya Yamanaka.

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我比较保守。从这几位的想法来看，下一步也许人们会相对不那么在意iPSC或直接转分化是否与胚胎干细胞类似，而开始找新的重编程细胞形态，这可能避开人们还不清楚原始多潜能到底应该是个什么样子的困惑，着眼于体内再生的适用性。* c9 @- ?/ q( R& d1 ]9 T2 Q6 M: _0 w
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当然，体外制造totipotent细胞，估计是人的好奇心和科学惯性挡不住的vision。( l% {/ h7 E- ?. o3 e

" M6 W4 U$ x: k至于从生物进化树的角度造出原本不存在的物种细胞，估计比造人totipotent zygote其实还容易，如果不限定某种既定标准的话……. t3 Q: u1 _( L0 ?3 V7 i2 G) M

0 |( o2 d. Y; M" x* w) O% I) v再生医学还是要着眼于适用性。

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挑战是未知的科学冒险，再生医学是实用的考量，没啥矛盾的啊，一定程度上是相关的。各有所好吧：）

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: Z" _7 q- e- E6 ]. y未知虽然是必然的，iPSC现在面临的问题是到底哪些是关键的未知，这个问题仍是未知的。所以要brainstorm，看看能想出哪些合理的未知，以便设计随后的研究方向，解决这些未知。这方面的公开信息比较少见，因此上面几位的看法以及最近一些关于iPSC机制的讨论还是比较有意义的。iPSC到现在，才开始真正面对未知的机制问题，也是因为效率一直上不去的瓶颈，正好卡在机制不清上了。科学问题要的是操作性，“未知”也要操作化。