皮肤细胞直接变身神经细胞

首都医科大学宣武医院研究员 陈志国 
 
　　新技术追踪

　　皮肤细胞能否不经过诱导多能干细胞的阶段而直接转变成神经细胞？答案是“Yes”。今年1月27日，美国斯坦福大学的副教授Marius Wernig及同事在《自然》杂志上发表了这一研究成果。他们在培养皿中，将小鼠的皮肤细胞仅通过三个转录因子基因就转变成有功能的神经细胞。由于不需要经过诱导多能干细胞的中间阶段，这一成果将对再生医学研究产生革命性的影响，并使人们对细胞保持其特异性的机制有了全新的理解。

　　差异化的表观遗传特征

　　决定细胞分化为不同功能  

　　人类生命起源于单一的受精卵细胞，经过分裂增殖和分化，转变成外胚层、中胚层和内胚层的细胞，再进一步分化为构成一个成熟个体的约250种末端分化的细胞。这种过程在自然状态下是不可逆的。也就是说，你的皮肤细胞通常不会变成血液细胞、心肌细胞或神经细胞，也不会逆转成为具有向多个方向分化的多能干细胞或全能干细胞。

　　但是，不管是受精卵还是同一个体分化的皮肤细胞，它们的基因序列都是一样的。只是随着分化的进程，有些细胞的表观遗传特征产生了变化。例如DNA的甲基化程度，组蛋白的甲基化和乙酰化程度，以及染色质三维构象的改变。进而使细胞开启或关闭的基因发生变化，导致细胞定向分化并具备独特功能。例如神经细胞可以产生动作电位并进行细胞间的信号传导，而胰岛细胞则可以分泌胰岛素并影响新陈代谢。

　　逆转生成多能干细胞

　　细胞治疗的传统思路 

　　很久以来，人们就在探索是否可以通过改变分化细胞的表观遗传学特征从而改变其功能和特性。最早的工作是1952年Robert Briggs 和Thomas King所做的青蛙克隆实验。他们将囊胚细胞的细胞核转入去核的卵母细胞中并成功得到发育完全的蝌蚪。1997年英国科学家Wilmut将羊体细胞的细胞核植入去核的卵母细胞中并发育成成熟的个体——著名的多利羊，从而在实践中证实了体细胞逆转成为全能干细胞的可能性。但由于该技术需要使用卵细胞，使得其在医学应用中受到伦理和材料来源等诸多限制。

　　2006年，日本科学家Yamanaka发现4个转录因子（Oct4、Sox-2、Klf4和c-Myc）能够将皮肤细胞成功逆转为可以向3个胚层分化的诱导多能干细胞。中国科学院周琪教授在2009年证实了这种诱导多能干细胞在注入不具备发育能力的四倍嵌合体卵细胞后，可以发育成具有繁殖能力的小鼠，确认了诱导多能干细胞的全能性。

　　由于诱导多能干细胞的产生不需要用到卵细胞，而且从病人皮肤细胞产生的多能干细胞的基因型与病人基本一致，几乎不存在免疫排斥的问题。因此通过将病人的皮肤细胞先逆转为干细胞，然后再分化成为病人所需要的特定细胞并移植回病人自身体内，是目前细胞治疗研究的基本思路。

　　比如，帕金森病的产生主要是由于中脑黑质的多巴胺神经元产生了退行性病变。理论上，可以将病人的一点点皮肤标本取出并培养，通过转进去转录因子将皮肤细胞变为多能干细胞，然后在培养皿中加入特定诱导因子使其分化为多巴胺神经元，最后再移植到病人的脑中。

　　细胞治疗过程简化

　　不再绕道多能干细胞 

　　尽管将皮肤细胞逆转为干细胞再分化为需要的特定细胞这种方法被人们寄予厚望，但目前该方案还存在许多问题。首先是分化效率低。从干细胞到多巴胺神经元，往往要耗时几周却只能得到少于10%的多巴胺神经细胞。其次是致瘤风险高。培养的细胞中残存着分化不完全的干细胞。第三是耗时长。将皮肤细胞诱导成为多能干细胞要至少3周的时间，分化成多巴胺神经元还要3~7周的时间。因此，科学界中一直有另一种思路，即能否通过改变细胞的表观遗传特性直接将已经分化的细胞转变成另一种分化的细胞，而不经过多能干细胞的中间阶段。

　　Wernig的研究工作则很好地回答了以上问题。当3个基因（Ascl1,Brn2和Myt1l）同时转入到小鼠皮肤细胞后，在不到1周的时间内就有大约20%的细胞被诱导成了神经细胞。这些细胞不光看上去像神经元，而且还表达神经元所特有的蛋白，并且能互相或者与正常小鼠的大脑皮层细胞形成神经突触并传导信号。由此确认了转化的细胞具有完全的成熟神经细胞的功能。

　　最重要的是，这种转化不经过多能干细胞的阶段。所以不管是诱导成的神经细胞还是未完全转化的其他皮肤细胞，理论上都没有干细胞所特有的致瘤性，这为将来的细胞治疗打下了很好的基础。与干细胞分化的方法相比，这种直接转化还具有时间短、效率高的特点。

　　当然，这项技术距临床应用还有相当一段距离。首先，目前这项技术还局限于小鼠细胞的体外实验，是否能应用到人的神经系统上还有很多不确定性。第二，由转录因子导入细胞而产生细胞的不稳定性，仍然让人对其安全性心存疑虑。另外，由于没有经过干细胞的扩增步骤，转变细胞的数量将会有所限制。

　　总体而言，Wernig等的这项研究在短期内对科学研究本身的意义远大于对今后临床应用的影响。它从实践上证实了一种类型的分化细胞不需经过去分化的干细胞状态，就可以直接转化成另一种类型的分化细胞，从而预示了其他不同类型分化细胞之间转化的可能性。将来，皮肤细胞也许不光能转化成特定的神经细胞，甚至还可以直接“变身”为心脏细胞、成骨细胞、胰岛细胞、血液细胞等。通过病人自身的细胞进行器官修复和治疗也许就会成为现实。

　　（本报记者褚晓明整理）