在一項合作研究中，來自九州大學和哈佛醫(yī)學院的研究人員已經(jīng)確定了一種蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)可以將成纖維細胞(皮膚和結(jié)締組織中最常見的細胞)轉(zhuǎn)化或“重新編程”成纖維細胞，使其具有與肢體祖細胞相似的特性。研究人員的研究結(jié)果發(fā)表在《Developmental Cell》雜志上，增強了我們對肢體發(fā)育的理解，并為未來的再生治療奠定了基礎。
在全球范圍內(nèi)，近6000萬人患有肢體喪失。截肢可能是由于腫瘤、感染和出生缺陷等各種醫(yī)療條件造成的，也可能是由于工業(yè)事故、交通事故和地震等自然災害造成的創(chuàng)傷。肢體受傷的人通常依賴于合成材料和金屬假肢，但許多研究人員正在研究肢體發(fā)育的過程，目的是將再生療法或自然組織替代作為一種潛在的治療方法更進一步。
在肢體胚胎發(fā)育過程中，肢體芽中的肢體祖細胞產(chǎn)生了大多數(shù)不同的肢體組織，如骨、肌肉、軟骨和肌腱。因此，建立一種簡單易行的方法來制造這些細胞是很重要的，”首席研究員Yuji Atsuta博士解釋說，他在哈佛醫(yī)學院開始處理這個項目，并在九州大學科學研究生院擔任講師。
目前，直接從胚胎中獲取肢體祖細胞是一種常見的方法，但就人類胚胎而言，這引發(fā)了倫理問題?；蛘撸鼈兛梢杂谜T導多能干細胞來制造——成年細胞被重新編程為胚胎樣狀態(tài)，然后可以被誘導成特定的組織類型。Atsuta及其同事開發(fā)的新方法直接將成纖維細胞重編程為肢體祖細胞，繞過誘導多能干細胞，簡化了過程并降低了成本。它還減輕了對細胞癌變的擔憂，這通常發(fā)生在誘導多能干細胞中。
在研究的初始階段，研究人員觀察了小鼠和雞胚胎早期肢體芽中表達的基因。體內(nèi)幾乎所有細胞，包括成纖維細胞和肢體祖細胞，都含有相同的基因組DNA，但由于基因表達的變化(換句話說，哪些基因是活躍的，細胞產(chǎn)生哪些蛋白質(zhì))，每種細胞類型的不同特性和功能在發(fā)育過程中出現(xiàn)。細胞中控制基因表達的一種方式是通過稱為轉(zhuǎn)錄因子的特定蛋白質(zhì)。
研究小組確定了18個基因，其中大部分是轉(zhuǎn)錄因子，與其他組織相比，這些基因在早期肢體芽中表達得更高。他們從小鼠胚胎中培養(yǎng)成纖維細胞，并使用病毒載體將這18種基因?qū)氤衫w維細胞，使細胞產(chǎn)生這18種蛋白質(zhì)因子。他們發(fā)現(xiàn)，修飾后的成纖維細胞具有這些特性，并顯示出與肢體芽中發(fā)現(xiàn)的自然發(fā)生的肢體祖細胞相似的基因表達。
接下來，通過一系列的實驗，研究人員縮小了他們的選擇范圍，并確定只有三種蛋白質(zhì)因子是將小鼠成纖維細胞重編程為肢體祖細胞樣細胞所必需的:Prdm16, Zbtb16和Lin28a。第四種蛋白質(zhì)Lin41幫助培養(yǎng)的肢體祖細胞生長和繁殖得更快。
研究人員不僅證實了重編程肢體祖細胞與天然肢體祖細胞具有相似的基因表達，而且具有相似的能力。“這些重新編程的細胞不僅是分子模擬物;我們已經(jīng)證實了它們發(fā)展成特殊肢體組織的潛力，無論是在實驗室培養(yǎng)皿(體外)還是在生物體(體內(nèi))中，”Atsuta說。“體內(nèi)測試尤其具有挑戰(zhàn)性，因為我們必須將重新編程的小鼠細胞移植到雞胚胎的肢體芽中。”
在這些實驗中，研究人員使用了慢病毒，它將基因直接插入受感染細胞的基因組中，從而增加了細胞變成癌癥的風險。相反，該團隊正在考慮其他更安全的載體，如腺相關病毒或質(zhì)粒，它們將基因傳遞到細胞中，而不將基因插入基因組中。
Atsuta的實驗室小組現(xiàn)在正試圖將這種方法應用于人類細胞，用于未來的治療應用，也應用于蛇，蛇的祖先有肢體，后來在進化過程中失去了肢體。“有趣的是，重新編程的肢體祖細胞產(chǎn)生了類似肢體芽的類器官，因此似乎有可能在不再擁有肢體組織的物種中產(chǎn)生肢體組織。對無肢蛇的研究可以揭示發(fā)育生物學的新途徑和新知識。”
Direct reprogramming of non-limb fibroblasts to cells with properties of limb progenitors
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