2010-01-29

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.
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fsj 提到...

萬能幹細胞 致癌零風險

中央社 2010/08/09

國衛院研究團隊利用胎兒臍帶血管裡的人類臍靜脈內皮細胞,並加入 2個非致癌性基因,成功將內皮細胞轉變成萬能幹細胞,且免除有致癌風險基因,研究成果和國際幹細胞研究同步。

國家衛生研究院細胞及系統醫學研究所副研究員顏伶汝今天在記者會上表示,2006年和2007年日本和美國分別宣布發現將普通皮膚細胞轉化為幹細胞的方法,這種幹細胞功能與胚胎幹細胞相差不多,因此被稱為萬能幹細胞,簡稱iPS細胞。

不過,顏伶汝說,以日本的研究來說,必須加入 4個基因,才能把皮膚的纖維母細胞誘導成與胚胎幹細胞類似的幹細胞;但是,在4個基因中,包括c-MYC及KLF4卻有讓細胞癌化的能力,因此運用在臨床上仍有疑慮。

為了避免加入致癌性基因、又可以成功發展出萬能幹細胞,顏伶汝說,國衛院團隊利用胎兒臍帶血管裡的人體臍靜脈內皮細胞HUVEC,只需要利用2個非致癌性基因OCT4及SOX2,就可以把HUVEC內皮細胞轉變成萬能幹細胞,也不會讓細胞癌化。

她說,因為HUVEC內皮細胞取自新生兒臍帶,具有取得容易的優點,且能夠成功避免有致癌疑慮的基因,這項研究也是國人在這項領域第 1個傑出的成就,並且能和國際的幹細胞研究同步。

她說,這個萬能幹細胞也增加臨床應用的機會,像是可能發展出神經細胞、肝臟細胞等,甚至運用在藥物測試。

※ 相關報導:

* Endogenous KLF4 Expression in Human Fetal Endothelial Cells Allows for Reprogramming to Pluripotency With Just OCT3/4 and SOX2 -- Brief Report
http://atvb.ahajournals.org/cgi/content/abstract/ATVBAHA.110.206540v1
Pai-Jiun Ho; Men-Luh Yen; Jhong-De Lin; Lan-Sun Chen;
Hsin-I Hu; Chun-Kai Yeh; Chiu-Ying Peng; Chen-Yu Lin;
Shaw-Fang Yet; and B. Linju Yen
Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology.
Published online before print August 5, 2010,
doi: 10.1161/ATVBAHA.110.206540

fsj 提到...

研究:皮膚細胞可直接變腦細胞

中央社 2012.01.31

美國史丹佛大學研究老鼠的研究團隊,已成功將皮膚細胞直接轉變成腦細胞,能長成大腦的主要構成要素。研究人員說,這項實驗的潛在醫療用途,讓他們感到「非常興奮」。

英國廣播公司(BBC)報導,美國「國家科學院學報」(Proceedings of the National Academy ofSciences)刊載的這項實驗,跳過中間的「幹細胞」階段。

這項技術要應用在人類皮膚上,還需要做很多試驗。

幹細胞能分化成為從大腦到骨骼等其他特定細胞,被視為對許多療法有龐大助益。目前有許多試驗正在進行,像是在中風患者或特定失明類型上的實驗。

這個領域的重大問題之一是,幹細胞的取得來源。胚胎幹細胞有倫理道德上的隱憂,如果有任何幹細胞無法與本身的身體匹配,病人就必須使用抑制免疫藥物。

替代方法是取得皮膚細胞,然後將皮膚細胞變成「誘導式」幹細胞。這可利用病人本身的細胞,變成所需的細胞類型;不過這個過程會讓致癌基因活化。

加州史丹佛大學(Stanford University)醫學院的研究團隊正在考量另一個選項:將人體皮膚細胞變成特定細胞,不會製造出「誘導式」幹細胞,這個步驟已成功將皮膚細胞直接轉變成神經元。

這項研究製造出「神經前驅」細胞,神經前驅細胞可變成3種腦細胞,分別是神經元、星形膠質細胞與寡樹突膠細胞。

這些前驅細胞的優勢是,一旦製造出來,便可在實驗室大量生長。如果這些細胞要用在任何療法上,這點就非常重要。

腦細胞與皮膚細胞有相同的基因資訊,但這兩種細胞的基因密碼以不同方式解讀,由「轉錄因子」控制。

科學家使用病毒感染皮膚細胞,3週後約有1/10細胞變成神經前導細胞。

主要研究人員維爾寧(Marius Werning)教授說:「我們已經證明這些細胞可以融入老鼠大腦,然後製造出一種欠缺的蛋白質,這種蛋白質對於傳達神經元的電子訊號至關重要。」

他說:「要從人類皮膚細胞製造出類似細胞,並評估其安全性與功效,還需要做更多研究。」