2025年1月3日，北京大學(xué)、昌平國家實(shí)驗(yàn)室鄧宏魁課題組與北京大學(xué)關(guān)景洋課題組合作在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Chemical Biology上發(fā)表了題為“A Rapid Chemical Reprogramming System to Generate Human Pluripotent Stem Cells”的最新研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)了化學(xué)重編程體系的關(guān)鍵表觀遺傳障礙，進(jìn)一步升級了快速化學(xué)重編程體系，實(shí)現(xiàn)最短10天即可將人成體細(xì)胞誘導(dǎo)為多能干細(xì)胞。
圖1.本研究相關(guān)論文首頁截圖
多能干細(xì)胞具有無限自我更新和分化為生物體所有功能細(xì)胞類型的能力，是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最關(guān)鍵的“種子細(xì)胞”。如何在體外誘導(dǎo)獲得人多能干細(xì)胞一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的重要問題?；瘜W(xué)重編程技術(shù)利用化學(xué)小分子組合有效調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)，可以逆轉(zhuǎn)已分化的體細(xì)胞為多能干細(xì)胞，為人多能干細(xì)胞的制備提供了全新的策略。相較于傳統(tǒng)過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子的重編程策略，化學(xué)重編程技術(shù)具有突出的優(yōu)勢。化學(xué)小分子可以通過直接靶向信號通路和表觀遺傳因子，以更簡單、靈活、可控的方式調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)，同時(shí)還可有效規(guī)避傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因策略潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，化學(xué)小分子還具有易于大規(guī)模合成和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。化學(xué)重編程技術(shù)為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)再生醫(yī)學(xué)個(gè)性化臨床應(yīng)用提供更多可能性。
鄧宏魁團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于化學(xué)重編程調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)的研究。2013年，該團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道僅使用化學(xué)小分子將小鼠體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞(Chemically induced pluripotent stem cells, CiPS細(xì)胞)，開創(chuàng)了一條全新的體細(xì)胞重編程路徑(Science,2013；Cell,2015;Cell Stem Cell,2018)。2022年，該團(tuán)隊(duì)首次建立了利用化學(xué)小分子誘導(dǎo)人體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞(人CiPS細(xì)胞)的技術(shù)體系，為人類多能干細(xì)胞的制備提供了全新途徑(Nature,2022)。在此基礎(chǔ)上，2023年對化學(xué)重編程技術(shù)進(jìn)行了首次升級，在誘導(dǎo)效率和誘導(dǎo)時(shí)間方面進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)建立了滿足臨床應(yīng)用需求的人體細(xì)胞化學(xué)重編程體系(Cell Stem Cell，2023)。近期，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了利用人CiPS細(xì)胞制備的胰島細(xì)胞移植治療I型糖尿病的臨床研究，患者在移植后初步實(shí)現(xiàn)了I型糖尿病的功能性治愈(Cell, 2024; Nature Medicine, 2022; Nature Metabolism,2023)。這一系列研究成果表明了化學(xué)重編程技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域治療重大疾病方面的重要應(yīng)用價(jià)值。
圖2.化學(xué)誘導(dǎo)人多能干細(xì)胞的應(yīng)用前景
盡管人體細(xì)胞化學(xué)重編程技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)了在再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的巨大潛力，現(xiàn)有的方法在不同個(gè)體來源的人體細(xì)胞誘導(dǎo)獲得CiPS細(xì)胞效率上仍存在較明顯的差異，部分個(gè)體來源細(xì)胞的重編程效率較低，且實(shí)現(xiàn)高效誘導(dǎo)的時(shí)間相對也還較長。建立更快速、普適性更高的化學(xué)重編程方法將極大促進(jìn)人CiPS細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
在本研究中，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)通過對不同個(gè)體來源的體細(xì)胞進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾相關(guān)酶KAT3A/B和KAT6A在難誘導(dǎo)的細(xì)胞系中富集表達(dá)，對維持細(xì)胞身份至關(guān)重要。通過對這些靶點(diǎn)的進(jìn)一步調(diào)控，成功建立了新的快速人體細(xì)胞化學(xué)重編程體系，有效解決了人CiPS細(xì)胞在誘導(dǎo)時(shí)長和普適性方面的不足?？焖倩瘜W(xué)重編程體系將高效誘導(dǎo)人CiPS細(xì)胞所需時(shí)間從30天縮短至16天以內(nèi)，最短僅需10天即可完成誘導(dǎo)。該方法在不同遺傳背景、不同年齡的15名個(gè)體來源的體細(xì)胞上進(jìn)行了測試，均實(shí)現(xiàn)了CiPS細(xì)胞的高效誘導(dǎo)，誘導(dǎo)效率高可達(dá)38%。對于此前重編程效率低的供者細(xì)胞，利用該快速化學(xué)重編程體系可以將16天內(nèi)的重編程效率提高20倍以上，成功將原先較難誘導(dǎo)的人體細(xì)胞高效誘導(dǎo)為人CiPS細(xì)胞，大大提升了化學(xué)重編程技術(shù)應(yīng)用于不同個(gè)體的普適性。
圖3. 建立快速化學(xué)重編程體系誘導(dǎo)人CiPS細(xì)胞
在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)還深入解析了通過調(diào)控KAT3A/B和KAT6A顯著增強(qiáng)化學(xué)重編程效率的機(jī)制。通過基因表達(dá)譜和組蛋白修飾譜的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，重編程早期抑制KAT3A/B和KAT6A會(huì)加速體細(xì)胞相關(guān)基因的關(guān)閉。更重要的是，該處理還會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)階段需要激活的基因的增強(qiáng)子區(qū)域表觀修飾處于更加待激活的狀態(tài)。這種表觀修飾的變化促使這些基因在下一個(gè)階段可以迅速激活轉(zhuǎn)錄，從而縮短了誘導(dǎo)時(shí)間。通過單細(xì)胞RNA測序分析進(jìn)一步驗(yàn)證了，抑制KAT3A/B和KAT6A可以更快速地打破體細(xì)胞基因程序，并抑制了原先體系異常激活的基因，這些變化也促進(jìn)了下一個(gè)階段關(guān)鍵基因快速激活?？傊焖倩瘜W(xué)重編程在表觀上促進(jìn)了關(guān)鍵基因的啟動(dòng)，并抑制了異常激活基因的表達(dá)，這種表觀基因組切換的方式令小分子誘導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變更直接、普適，并顯著加快了化學(xué)重編程的速度。
圖4. 快速化學(xué)重編程體系加速表觀遺傳修飾的變化
這項(xiàng)研究進(jìn)一步完善了化學(xué)重編程技術(shù)制備人多能干細(xì)胞的方法，為后續(xù)應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更加快速高效穩(wěn)定的底層技術(shù)體系。這一快速化學(xué)重編程體系將極大促進(jìn)人多能干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為臨床治療和個(gè)性化醫(yī)療提供更多可能性。
北京大學(xué)王楊璐博士、彭芳琪、楊芷涵、成林博士、曹靖宵為該研究的共同第一作者。鄧宏魁教授、關(guān)景洋副研究員和成林博士是這一研究成果的共同通訊作者。北京大學(xué)李程教授為本研究的生物信息分析提供了重要幫助。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等支持。
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