Nature：重组细胞微环境的重要性（附原文）

晴斗斗

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+ E$ q2 x9 f2 X9 p% W! C 来源：生物360 作者：筱玥! i0 t1 X. x* k9 J6 ?
众所周知，利用重编程成体细胞获取造血干细胞是十分困难的。有研究表明，具有支持性的微环境也许对于有效获取造血干细胞，是很关键的。" P5 f3 U* d6 i5 k
骨髓移植可以救人一命，但是有大量需要骨髓移植的患者却不得不面对这样一个现实——缺少合适的供体，对那些来自少数民族的人而言，更是如此。各种血细胞的前体被称为造血干细胞，它们是骨髓移植的核心，因为，当通过静脉把造血干细胞注入患者体内时，这些细胞会迁移并灌注到骨髓内，最终再生各种血细胞系。因此，解决供体缺乏的其中一个办法，就是设法获得患者来源的造血干细胞。然而，这一方法并不容易，首先，灌注遗传工程干细胞就是一个难题，此外，在实验室内培养细胞，很难维持这些细胞的干细胞特性。Sandler等人等人进行了研究，建立了一种解决上述难题的获取造血干细胞的方法。" O( U- [  d2 u1 f2 _, n
在他们具有重大意义的实验中，干细胞生物学家Shinya Yamanaka及Kazutoshi Takahashi将皮肤成纤维细胞进行重组，使其处于“重置”状态。研究者对一系列的候选转录因子进行了筛选，最终使用由四个因子组成的组合，用于诱导细胞进入完全细胞去分化状态。这些重组细胞，被称为诱导多潜能干（iPS）细胞，理论上可以分化形成身体内任意类型细胞。然而，事实证明，将这些iPS细胞诱导分化形成具有功能性的成体组织，是非常困难的，原因在于，我们目前还缺少体外细胞编程这一复杂过程的充分了解。因此，将造血干细胞（HSC）诱导分化的方法，最终往往获得的是胚胎样血细胞，并不能有效灌注进入骨髓。# Q2 P. ~# w$ {" a
另外一个方法，是直接将成体细胞进行重编程，使其分化成为另一细胞系，而不经过多潜能细胞阶段。成体成纤维细胞已经被成功重编程，形成若干种不同类型的细胞，其中，包括神经元、心脏细胞和肝脏细胞。去年，研究者使用四种转录因子（Gata2、cFos、Gfi1b及Etv6），对小鼠成纤维细胞进行重编程，获得了表达HSC表面标记物的细胞，这些细胞可以在体外分化形成血细胞前体细胞（图1）。但是，这些重编程细胞在进行移植后，无法有效地灌注入骨髓。  W$ X5 h( x' C, q5 a
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图1 寻找诱导造血干细胞生成的转录因子。此图展示了文中所述三个实验中所使用的转录因子及其重合部分。三个实验中，研究者力求分别从三种不同类型成体细胞类型获得诱导性造血干细胞（iHSC）。这三种类型的细胞分别是：小鼠成纤维细胞（候选转录因子用蓝色圈表示），小鼠白细胞（粉色）及人脐带静脉内皮细胞（HUVEC，绿色）。对这些转录因子进行系统筛除分析，最终鉴定出能够生成iHSC的转录因子（黑体字，字体颜色表示哪种转录因子组合可以成功重编程相应细胞类型）。Sandler等研究发现，从HUVEC获得iHSC需要四种转录因子：FOSB、GFI1、RUNX1和PU.1。
. ^9 H5 w' a2 R/ d7 Y在胚胎发育时期，HSC形成于主动脉壁的血管细胞，而且这些细胞持续需要来自血管组织或其微环境的信号，来维持生长及正常功能。Sandler等由此推断，可以通过使用与HSC生长起源相似的细胞类型，并且将这些细胞在与HSC生长微环境相似的环境中进行培养，从而提高细胞重编程，及维持诱导性造血干细胞（iHSC）的自我更新能力。
! N: M1 C; h- I6 C% z' M1 w* G研究者分离了人脐带静脉内皮细胞（HUVEC），并诱导其表达26种在HSC中表达丰富，但在HUVEC中不表达的转录因子。研究者采用不含血清的培养基培养上述细胞，因为血清会干扰HSC的存活，通常而言，在细胞培养基内都含有血清，因为血清内含有生长因子，可以促进细胞增殖。Sandler等人将这些细胞置于饲养细胞层；这些细胞层内会释放一些因子，使其环境与HSC在人体内的微环境相似。被称作E4EC的饲养细胞来源于血管内皮细胞，经过遗传工程改造，过量表达一种腺病毒基因E4ORF1，从而有利于其存活，但并不促进增殖，由此创造了一个与HSC在人体内相似的微环境。8 F9 t# [0 I6 b4 \
Sandler等人发现，当在上述微环境内培养HUVEC时，其中有些细胞可以形成造血干细胞克隆。当系统地对26个转录因子进行筛除时发现，有4个因子——FOSB、GFI1、RUNX1和PU.1可以在HUVEC重编程过程中发挥作用（图1）。为确保这一方法的成功，必须同时将原始细胞的性质进行抑制，使其获得新的性质。研究者们推测，PU.1与GFI1协同下调血管形成基因，也许FOSB也参与其中，而PU.1和RUNX1则协同上调造血干细胞特异性的基因。进行重编程的HUVEC变成了具有自我更新能力的HSC，把这些细胞灌注到免疫缺乏的小鼠骨髓内，最终分化形成了成熟血细胞。
5 o- ^9 q5 L& k9 ~* A今年上半年，另外一个研究小组发表了他们的研究结果：他们成功将来自小鼠的成熟白细胞转化成了可以灌注入骨髓、能够形成各种血细胞系的HSC。他们使用了6个转录因子（Runx1t1、Hlf、Lmo2、Prdm5、Pbx1及Zfp37）进行细胞重组，而且这些重组细胞在小鼠体内发育成熟，并形成iHSC（图1）。从这一研究可以推测，也许细胞在原本的HSC微环境内发育生长，可以促进其存活，并最终形成iHSC。
) W+ _2 G# F/ {9 D) l9 {令人惊讶的是，将Sandler小组的研究，与其它采用重组小鼠白细胞或成纤维细胞的方法进行比较，会发现每一种方法中都是用了不同的转录因子组合“鸡尾酒”来生成iHSC。
5 n5 N2 N8 j9 ?8 `' l1 t这有可能是由于研究对象的种系差异，每种细胞类型对不同转录因子的反应有所不同所造成的，又或者是每种细胞类型的不同表观遗传学状态的差异所致，也就是说，尽管DNA序列没有改变，基因组修饰可以影响基因表达。与这种表观遗传推断相呼应的是，Sandler等人所使用的转录因子“鸡尾酒”无法对来源于胚胎干细胞的内皮细胞进行重编程，但是可以对成人皮肤微血管内皮细胞进行重编程。: x2 r$ s8 }# o5 M
值得注意的是，在上述三个研究中，参与细胞重组的因子间极其有限的重合，也说明了在起始进行挑选这些因子时，所包括的候选因子就有所不同。的确，即使在每个研究中都基于HSC的选择性表达进行挑选候选因子，只有两个因子（RUNX1及MEIS1）是在三个实验中都出现的。因此，想要得出有关细胞特异性及生成iHSC所需的转录因子方面的确定性结论，还需要科学家做进一步的研究分析。而采用三种不同分子组合最终得到同一个结果的事实，也表明了生成iHSC过程中的多样选择。
# z+ m# f# k' }+ O9 n0 E使用成人内皮细胞进行重编程，意味着其在基因编辑及血液疾病的细胞学治疗方面，具有重大的意义。尽管HSC一直以来都是一个备受青睐的基因治疗靶点，但是难以在体外对其进行培养限制了该细胞的应用。而承认内皮细胞则可以在培养基内存活数天，而不会丢失重编程功能，因此，我们完全有可能使用患者特异性的内皮细胞，进行纯化、遗传修改、选择，并最终进行重编程，从而获得iHSC。. Y2 d% B- s! K
但是，对于所有在培养基内培养的干细胞而言，癌变的风险总是存在的。尽管Sandler等人在将iHSC移植到小鼠体内10个月内，并未发现有癌变的迹象，但是，大部分在生成iHSC的过程中所使用的转录因子都与白血病的发生有关。这说明了促进健康HSC的自我更新与启动癌变之间很可能只有一线之隔。对重组机制的进一步了解有可能克服这一潜在的问题。此外，更多的相关发现也会让我们更清晰地了解到哪些信号会促进HSC的生成，以及参与HSC编程的分子网络是怎样的。8 D  t6 b* ~# o' K: A8 b( @# D
原文检索：
; W) j+ O  n  Y9 IDaniel Lucas & Paul S. Frenette. Stem cells: Reprogramming finds its niche. Nature, 02 July 2014; doi:10.1038/nature135161 u! [. r8 I7 g+ e8 ^, H5 ^1 w% [
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