ELISA試劑盒-齊一生物

日前，中科院生物物理所劉光慧課題組、北京大學(xué)湯富酬課題組和中科院動物所曲靜課題組聯(lián)合開展的研究進(jìn)一步拓展了基因編輯技術(shù)的應(yīng)用范圍。研究人員利用基因編輯改寫了人類基因組遺傳密碼中的單個堿基，在實驗室中獲得了遺傳增強(qiáng)的“超級”干細(xì)胞（GES 細(xì)胞）。這種 GES 細(xì)胞能夠?qū)?xì)胞衰老和致瘤性轉(zhuǎn)化產(chǎn)生雙重抵抗作用，因此為開展安全有效的干細(xì)胞治療提供了可能的解決途徑。該研究工作于 7 月 7 日以“Genetic enhancement in cultured human adult stem cells conferred by a single nucleotide recoding”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)雜志 Cell Research。

再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在兩個亟待解決的重要科學(xué)問題：*，干細(xì)胞治療的有效性，即如何獲得更多高質(zhì)量的可供移植治療的人類干細(xì)胞，如何賦予這些細(xì)胞移植物更強(qiáng)的自我更新、存活、定向分化以及對移植環(huán)境（如衰老與應(yīng)激）的耐受能力，以便令其在體內(nèi)發(fā)揮更為持久的治療效果；第二，干細(xì)胞治療的安全性，即如何有效降低細(xì)胞移植物在體內(nèi)形成腫瘤的風(fēng)險。發(fā)表的這項研究工作聚焦于上述兩個重要問題，期望通過基因編輯手段對細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵基因和信號通路進(jìn)行調(diào)控，從而同時實現(xiàn)干細(xì)胞活力的提高及致瘤性的減弱，zui終獲得安全的人類干細(xì)胞移植物。

研究人員通過篩選可以延緩干細(xì)胞衰老的小分子化合物，發(fā)現(xiàn)抗氧化轉(zhuǎn)錄因子 NRF2 的激動劑能延緩人類早衰癥患者間充質(zhì)干細(xì)胞的加速衰老。在既往的低等模式生物研究中，NRF2 的缺失會導(dǎo)致生物體壽命縮短，反之其過表達(dá)則有助于壽命的延長。而生物物理所研究團(tuán)隊 2016 年發(fā)表在 Cell 上的文章和此項研究則進(jìn)一步揭示人類間充質(zhì)干細(xì)胞的衰老伴隨著 NRF2 蛋白水平的顯著下調(diào)；反過來，NRF2 的功能增強(qiáng)又能夠改善衰老間充質(zhì)干細(xì)胞的活力。因此，研究人員推測在編碼基因水平增強(qiáng) NRF2 的活性或許能夠延緩人類干細(xì)胞的衰老。

為了證明這一點，研究人員利用第三代腺病毒載體 HDAdV 介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)在人類胚胎干細(xì)胞中置換了 NRF2 基因第 2 號外顯子中的單一核苷酸（A245G）。這一單堿基置換使得細(xì)胞中的 NRF2 蛋白脫離了其抑制蛋白 KEAP1 的束縛，進(jìn)而通過轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核，激活一系列抗氧化和細(xì)胞保護(hù)基因的表達(dá)。

隨后，研究人員將基因編輯的人類胚胎干細(xì)胞定向分化成為具有治療潛力的間充質(zhì)干細(xì)胞，并發(fā)現(xiàn)這些間充質(zhì)干細(xì)胞的自我更新以及抵抗應(yīng)激和細(xì)胞衰老等能力均獲得了顯著增強(qiáng)。此外，由該種胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化而來的血管內(nèi)皮細(xì)胞也表現(xiàn)出強(qiáng)大的抵御氧化損傷的能力。這些結(jié)果均說明該遺傳增強(qiáng)策略能夠賦予人類干細(xì)胞及其分化衍生物更強(qiáng)的活性和自我保護(hù)能力。

與此同時，研究人員還考察了 GES 細(xì)胞在經(jīng)過體內(nèi)移植之后是否也會具有更強(qiáng)的存活、整合和組織修復(fù)能力。研究結(jié)果表明，將上述 GES 細(xì)胞移植入小鼠體內(nèi)后能夠表現(xiàn)出更強(qiáng)的存活和整合能力，并能夠顯著促進(jìn)缺血損傷模型小鼠后肢血流的恢復(fù)，證明 GES 細(xì)胞在移植后能夠表現(xiàn)出優(yōu)于普通干細(xì)胞的再生修復(fù)能力。

圖 1. 遺傳增強(qiáng)型人類間充質(zhì)干細(xì)胞抵抗細(xì)胞衰老，在連續(xù)傳代后仍可保持較低的衰老相關(guān) b - 半乳糖苷酶活性及較長的端粒（上）；一系列 NRF2 下游抗氧化和細(xì)胞保護(hù)基因的表達(dá)在遺傳增強(qiáng)型間充質(zhì)干細(xì)胞中協(xié)同上調(diào)（中）；遺傳增強(qiáng)型間充質(zhì)干細(xì)胞具有對小鼠后肢缺血損傷更好的治療作用（下）

研究人員也同時開展了針對遺傳增強(qiáng)策略的安全性評價，發(fā)現(xiàn)盡管 GES 細(xì)胞具有更強(qiáng)的自我更新能力和體外傳代壽命，但是在移植入免疫缺陷小鼠體內(nèi)后并不會形成腫瘤。令人興奮的是，GES 細(xì)胞還表現(xiàn)出對癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的強(qiáng)抵抗作用。在諸多癌基因激活的情況下，GES 細(xì)胞仍然保持著高度的基因組穩(wěn)定性，移植入免疫缺陷小鼠體內(nèi)后不會形成腫瘤。更有趣的是，經(jīng)過遺傳增強(qiáng)的人類胚胎干細(xì)胞在免疫缺陷小鼠體內(nèi)僅能產(chǎn)生比對照胚胎干細(xì)胞小得多的畸胎瘤。該實驗提示，即便 GES 細(xì)胞移植物中殘留了少量未分化的多能干細(xì)胞，其在體內(nèi)形成畸胎瘤的能力也已被大大削弱，這就進(jìn)一步降低了利用遺傳增強(qiáng)型干細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞移植治療的安全風(fēng)險。

圖 2. 遺傳增強(qiáng)型人類間充質(zhì)干細(xì)胞對癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化具有強(qiáng)抵抗作用（左）；遺傳增強(qiáng)型人胚胎干細(xì)胞僅能形成相對較小的畸胎瘤（右）

綜上所述，該研究利用基因編輯技術(shù)實現(xiàn)了人類干細(xì)胞的遺傳增強(qiáng)，并從概念上證明了利用該策略獲得安全細(xì)胞移植物的可行性。通過 NRF2 基因的單堿基置換可以賦予人類干細(xì)胞更強(qiáng)的抵御應(yīng)激和衰老的能力，以及在體內(nèi)更好的留存和再生修復(fù)功能，甚至對干細(xì)胞癌變的抵抗活性。該研究的意義不僅在于創(chuàng)造了一種安全的人類間充質(zhì)干細(xì)胞，更重要的是為針對不同組織類型及疾病特性設(shè)計不同遺傳增強(qiáng)方案的研究奠定了基礎(chǔ)，使得規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)化制備安全的人類細(xì)胞移植材料成為可能。