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科学家直接改变细胞运作程序帮细胞“转行”

发布者:jiubio      发布时间:2016-11-07      点击数:2419


自从 2006 年京都大学再生医学研究所(Institute for Frontier Medical Sciences, Kyoto University)山中伸弥教授发现了纤维组织母细胞(fibroblast,一种成人结缔组织细胞)转变回尚未成熟还未分化成干细胞的方法,创造了诱导性多功能干细胞(iPS 细胞)。这项研究很快的受到重视,也让山中伸弥教授在仅仅 6 年后就获得了诺贝尔生理学或医学奖。

在此之后,各方研究者发现了许多方法使两种不同形式功能的细胞能够互相转换。它们的原理大多是利用加入扮演类似“主控开关”功能的基因片段,这些片段能够开启特定种类的细胞中一系列的基因,并生产该类细胞所需的蛋白质。

在这项于今年 8 月 11 日发布于科学期刊 Cell Stem Cell 的研究中,科学家运用革命性的基因工程科技 CRISPR,将从小鼠分离出来的结缔组织直接转变成神经细胞。透过这样的方法所制造的神经细胞,比先前用加入基因片段方式得到的神经细胞,能够拥有更完整而稳定的特性。这些神经细胞还可以做为研究神经失调的材料,用于研究新的疗法,并且发展个人化的医学疗程,除此之外,细胞治疗也是未来可能的运用之一。

这项技术由杜克大学生物分子及组织工程学 Charles Gersbach 助理教授(见首图)所带领的研究团队研发,在许多领域都有运用的潜力。例如当科学家需要对某药物进行研究,虽然已经知道大多数的人的神经细胞对于该药物会有特定的反应,但每个人体内究竟是哪种神经细胞中的哪些基因会对药物有什么样的反应,这类型的研究就会需要这项技术,毕竟直接使用动物甚至人类的脑部做活组织切片,肯定是不可行的,但如果是从人的手臂上取皮肤的细胞,将皮肤细胞利用 CRISPR 技术转变成神经细胞,再经由各种药物合并处理,科学家就能够为需要的人制作个人化的药物疗程。

用 CRISPR 打破原先发育生物学的不可逆细胞分化状态

在 1950 年代,英国的发育生物学家 Conrad Waddington 所提出的想法,为往后的发育生物学打下基础。未成熟的干细胞能够分化成特定种类的成熟细胞,分化的过程就像将重物从山顶上沿着陡坡滚下,物体可以滚落到任何一个山谷之后停留在凹处。而细胞在选择特定路线开始分化之后,就像物体沿着某一面山壁滚落,终点必定是该路线的末端低地,是没有办法临时改变路径的。

Gersbach 表示,如果想要改变以分化成熟细胞的既有功能以及角色,其中一个办法就是将该细胞推回山顶,也就是原本干细胞的状态,诱导性多功能干细胞(iPS 细胞)的概念便是如此。但除了把细胞变回干细胞的状态之外,另一个方法就是把细胞的状态推上侧边的山坡,不经过原先干细胞的状态,而是直接水平的移到旁边的山谷里。

在先前的研究中,CRISPR 基因编辑技术的运用通常需要透过病毒携带 CRISPR 所需的分子工具,并将之带入生物体内,进而能够在生物体内生产大量的转录因子蛋白质。借由转录因子的特性在不同种类的细胞内分别和基因组内上千个位置结合,进而来开启细胞内特定的相关基因。

一声令下,自行让细胞转变成另一种细胞

研究团队运用 CRISPR 技术,准确地活化 3 个帮助天然神经细胞产生转录因子的基因,打破了以往用病毒将大量复制的基因片段送入细胞的惯例。研究团队中的研究生 Joshua Black 表示,以病毒运送某段细胞本来就有的片段进入的这种方法,相较他们所研发以稳定方式让细胞接收短暂的转变讯号的新方法,新方法在许多层面都比原先的要好。然而,要以这种方法达到足够的效率就需要做到非常高的专一性,才能改变细胞内整个运作机制。要有效率的制造稳定且具有和真正的神经细胞一样的基因机制的神经细胞,是这项研究中的一大挑战。

CRISPR 原本是细菌免疫系统中的一部分,当细菌被外来基因或病毒入侵时,CRISPR 系统可以收集入侵者的基因片段,将之嵌入自身基因组中做为“记忆”之用,等到下一次再被同样的入侵者攻击,细菌就能够用这些“记忆”片段制造出能抑制该片段的短序列,用这些序列抑制入侵者的基因以及功能,做为防御手段。而当 CRISPR 的特性被科学家借用做为基因编辑工具,科学家不需要的抑制基因功能就被去除,只剩下将特定基因嵌入或剔除的序列修改功能。

这项研究结果显示,新的 CRISPR 运用能够针对在老鼠脑部组织中本来就有的基因活化,藉此来制造神经细胞。研究团队以老鼠纤维组织母细胞做为受试样本,实验结果显示以 CRISPR 技术处理之后,3 个主要的神经细胞转录因子活化神经细胞的基因,使得原本身为纤维组织母细胞的细胞开始传导电讯号,出现了神经细胞的特性。这样的特性并不会随着后来 CRISPR 所携带的活化因子的移除而消失;相反的,细胞持续表现出神经细胞的特性,也就是说,它现在已经变成了一个神经细胞。

如果我们用病毒携带 CRISPR 材料将细胞内的转录因子提升,虽然能够让细胞具有神经细胞的特性,却无法持久。若是要将细胞真正的转变成神经细胞,就不能够一直依赖外在的刺激来达成,而必须要在转变成神经细胞之后,细胞就能独立表现出神经细胞的特性。

原本科学家常用的以病毒运送外来基因的方式,问题在于这些基因在原本细胞中就已经存在,而又以人工方式额外加上更多数量的特定片段,这使得后来细胞内所产生的转录因子虽然足够,但大多都不是由细胞原有的基因片段所制造。不过,这项研究所研发的新方法却能避开这项缺点,虽然产生的转录因子没那么多,但它们全都是由正常细胞染色体上的基因所制造,也就是说,该细胞是真的开始主动的制造转录因子,并且能够稳定的表现神经细胞的特性。研究团队能切换细胞内不同基因的活化,而不是用额外的基因迫使细胞表现外来的基因。

从实验小鼠推到人类身上

研究团队的下一步,是要将原先作用于小鼠细胞的系统扩展至人类细胞,同时提高技术效率并且去除后生基因型的影响,进而运用到其他特定的疾病模型。在未来或许可以做到制造新的神经细胞移植到患者脑内,来治疗帕金森氏症等神经退化疾病。就算这个想法还有些遥远,就目前的研究成果来看,这项技术已经对许多疾病治疗方法的研发有所助益。



 
 
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