研究者使老鼠皮膚細胞直接轉換成神經元，跳過 IPS 階段

Researchers directly turn mouse skin cells into neurons, skipping IPS stage
http://www.physorg.com/news183817862.html

By Krista Conger, January 27, 2010

(PhysOrg.com) -- 即便是超人也都得退到電話亭才能迅速變身。不過史丹佛醫學院的科學家現在在這種終極轉換中有所成就：在實驗室的培養皿中只要利用三種基因，就能將老鼠的皮膚細胞直接轉變成能起作用的神經細胞。這些細胞不需要先變成多能類型的幹細胞（pluripotent stem cells）-- 若細胞要獲得新身分，此步驟一直以來被視為不可或缺。

這項發現將革新人類幹細胞療法的未來發展，並重新定義我們對於「細胞如何在體內選擇與維持其專一性（specialties）」的理解。

"我們主動且直接誘使某一類型的細胞變成完全不同類型的細胞，" Marius Wernig, MD、病理學助教授，同時也是 Stanford 幹細胞生物學與再生醫學研究所的成員。"這些是「全功能」的神經元。它們能做到神經元在腦中所能辦到的各種首要事務。" 那包括：與其他神經細胞產生連結以及發訊（signaling） -- 若這些細胞最終作為帕金森氏症或其他失調的治療方法使用時，這些功能相當關鍵。

Wernig 是這篇研究的資深研究者，畢業生 Thomas Vierbuchen 則是領導作者。這項研究將發表在 1/27 的 Nature 線上版。

雖然先前研究指出，有可能誘哄已特化的細胞使其展現其他細胞類型的某些特性，不過這是皮膚細胞首度在實驗室培養皿中被轉換成全功能的神經元。這種轉變發生在一週之內，而且效率將近百分之 20。研究者目前正設法在人類細胞上重複這項成就。

"這項研究是個大躍進，" Irving Weissman, MD，史丹佛幹細胞生物學與再生醫學研究所所長。"直接將這些成年皮膚細胞再程式化（reprogramming，重編程）為腦細胞，那能顯現出產生電流與形成突觸這樣複雜、適當的行為，為正常與失調腦細胞功能的研究確立了新方法。最終我們也許能率先在實驗室培養皿中捕捉並研究像帕金森氏症、阿茲海默症或遺傳性精神疾病這樣的疾病。"

一直到最近，細胞特化或分化都被視為單向路線（單行道）：多能性胚胎幹細胞能產生體內所有類型的細胞，不過當後代細胞變得更加特化時，它們在生物學上也會變得更加孤立。猶如樹幹首先分裂成樹枝，接著成為單獨的葉子，這些細胞據信可藉由增加到其 DNA 之上的物理修飾 -- 稱為外遺傳（epigenetic，表遺傳）變化 -- 而將它們自己托付給某種發展命運。與樹枝上的葉子不可能變成樹枝，或著超人不可能在半空中變成 Clark Kent 一樣，皮膚細胞也不可能再變成神經細胞。

當 Dolly 羊於 1997 年從一個成年細胞複製而成時，這種觀點開始改變，那證明在某種情況下，已特化的細胞也能越過這些限制並表現出胚胎幹細胞的樣子。

在 2007 年，研究者宣佈利用四種與幹細胞相關的蛋白質（稱為轉錄因子）感染人類皮膚細胞，從而創造出誘導式多能性幹細胞（iPS Cells）。

一旦細胞達到多能的狀態，研究者就能誘哄（coaxed）它們發展成新的細胞類型。此過程常以這種概念描述：使皮膚細胞沿著分化路徑向後退（在葉子的比喻中：葉子先逆轉成樹枝在變成樹幹）然後引導它們再度前往不同的分枝，成為新的品系。

最後，在 2008 年，Doug Melton, PhD，哈佛幹細胞研究所副所長證明，有可能在成年老鼠身上以一票只表現出三種轉錄因子的病毒，將胰腺中某類的型細胞變成另一種類型的胰細胞。

因此 Wernig（他之前在麻州 Whitehead Institute，Rudolf Jaenisch 的實驗室中擔任博士後研究，參與 iPS 細胞最初的開發）開始思考，是否真的需要多能性這個中繼站（pit stop）？Thomas Sudhof，史丹佛醫學院的 Avram Goldstein 教授也參與這項研究。

為了測試這個理論，Wernig、Vierbuchen 以及畢業生 Austin Ostermeier 蒐集 19 種基因，那不是涉及外遺傳再程式化就是涉及神經的生長與作用。他們使用一種稱為「慢病毒（lentivirus）」的病毒來感染皮膚細胞，這些細胞來自於擁有這些基因的胎鼠，接著監視這些細胞的反應。在 32 天後，他們看見某些原本是皮膚細胞的，後來看起來像神經細胞且表現出神經蛋白。

這些研究者，包括博士後學者 Zhiping Pang, PhD，利用混搭（mix-and-match）方式將原本 19 種基因篩到剩下只有 3 種。他們也以來自成年老鼠尾巴的皮膚細胞測試這個步驟。他們發現，大約 20% 的前皮膚細胞在不到一星期內轉變成神經細胞。乍聽之下那也許不像一種快速轉變，但與耗費數週的 iPS 細胞相較，那是重大改善。此外，iPS 過程非常沒有效率：原本的細胞大約只有 1% - 2% 變成多能性。

在 Wernig 的實驗中，這些細胞不僅看起來像神經元，它們也表現出神經蛋白，甚至與培養皿中的其他神經元形成能起作用的突觸。

"我們對於時機與效率感到相當驚訝，" Wernig 說。"這比經歷過 iPS 細胞更直接了當，而且那看起來像是非常可行的選擇。" 從特殊病患迅速製造神經元也許讓研究者能在培養皿中研究特殊的疾病過程，例如帕金森氏症，或甚至有朝一日能大量製造這些細胞以供治療。

這研究指出，多能狀態，不再是身分轉變細胞（identity-shifting cells）所需要的試金石，而比較像是另一種可能的細胞狀態。 Wernig 推測，發現正確的「細胞命定基因（cell-fate-specific genes）」組合也許能在基因接受細胞（recipient cell）中引發骨牌效應，掃除 DNA 修飾的障礙，將新的發展命運「銘印（imprinting）」在基因組的地景（genomic landscape）上。

"那也許難以證明，" Wernig 說，"但我不再認為 iPS 細胞的誘導是一種發展的逆轉。那也許如我們在這裡所看見的，是一種更直接的轉換，從某種細胞類型轉換成另外一種類型，那只不過比較像胚胎罷了。這顛覆了我們對於外遺傳調控的想法。"

※ 在演化中，外遺傳不曾當過配角。這篇的重點是，只要有適當的外在環境，已分化的細胞都能夠直接變成另一種特化細胞。說不定文明病、癌症、不孕都跟這件事有關。相關報導：

＊ Direct conversion of fibroblasts to functional neurons by defined factors
http://dx.doi.org/10.1038/nature08797

Thomas Vierbuchen, Austin Ostermeier, Zhiping P. Pang,
Yuko Kokubu, Thomas C. Sudhof & Marius Wernig
Nature advance online publication 27 January 2010
doi: 10.1038/nature08797

Cellular differentiation and lineage commitment are considered to be robust and irreversible processes during development. Recent work has shown that mouse and human fibroblasts can be reprogrammed to a pluripotent state with a combination of four transcription factors. This raised the question of whether transcription factors could directly induce other defined somatic cell fates, and not only an undifferentiated state. We hypothesized that combinatorial expression of neural-lineage-specific transcription factors could directly convert fibroblasts into neurons. Starting from a pool of nineteen candidate genes, we identified a combination of only three factors, Ascl1, Brn2 (also called Pou3f2) and Myt1l, that suffice to rapidly and efficiently convert mouse embryonic and postnatal fibroblasts into functional neurons in vitro. These induced neuronal (iN) cells express multiple neuron-specific proteins, generate action potentials and form functional synapses. Generation of iN cells from non-neural lineages could have important implications for studies of neural development, neurological disease modelling and regenerative medicine.

＊ 癌症的另一種理論：染色體錯亂
＊ DNA 甲基化 同卵雙胞胎不同命
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＊ 新發現的哺乳類非蛋白編碼基因具關鍵功能
＊ 英國研究／基因FOXL2 可讓女變男
＊ RNA 誘發外遺傳的遺傳性病變
＊ 研究者確認 RNA 調控基因的新目標
＊ Prions 具有達爾文演化上的改變與適應能力
＊ 電壓-- 新的幹細胞分化控制鈕
＊ 柑橘驚奇：維生素C 促進成年細胞再程式化為幹細胞
＊ 研究者確認一種可能普適的老化機制
＊ 研究者發現晝夜節律的新機制
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＊ 山中伸彌：幹細胞再程式化無需病毒載體
＊ 新方法：人類胚胎幹細胞也能像老鼠胚胎幹細胞
＊ 以 piggyBac 轉位創造誘導式多能性幹細胞
＊ UCLA 將人類 iPS 細胞再程式化為生殖株前驅細胞
＊ 科學家將幹細胞轉變成精、卵的前驅細胞

＊ 研究者將某種細胞直接變成另一種細胞
＊ 雄性生殖細胞可直接轉換成其他細胞類型
＊ 胰腺中的α細胞可轉換成β細胞
＊ 研究者使成年皮膚細胞與肌肉細胞相互轉變

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