7月(yue)7日，《細(xi)(xi)胞研(yan)(yan)(yan)究》(Cell Research)期刊在線發表了中國科學(xue)(xue)院(yuan)生物物理研(yan)(yan)(yan)究所劉(liu)光慧課題組(zu)(zu)、北京大學(xue)(xue)湯富酬課題組(zu)(zu)和中科院(yuan)動物研(yan)(yan)(yan)究所曲靜課題組(zu)(zu)的聯(lian)合研(yan)(yan)(yan)究成果，首次將基因編輯(ji)技術用于干細(xi)(xi)胞的遺(yi)傳(chuan)增強，從而宣布(bu)了國際上第一例遺(yi)傳(chuan)增強人(ren)類(lei)干細(xi)(xi)胞(Genetically Enhanced Stem cells，GES細(xi)(xi)胞)的誕(dan)生。

　　眾(zhong)所周(zhou)知，干(gan)細(xi)胞(bao)(bao)是一(yi)類具有自我復制能力的細(xi)胞(bao)(bao)，在(zai)一(yi)定條件下可以分化成多種(zhong)功能細(xi)胞(bao)(bao)。那這種(zhong)新型干(gan)細(xi)胞(bao)(bao)又是什么?

　　在接受澎(peng)湃新聞采訪(fang)時，劉光慧(hui)介紹說：“ 遺(yi)(yi)傳(chuan)(chuan) 意味著干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)遺(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)密碼被改(gai)變(bian)了(le)(le)，我們利用基因編(bian)輯技術改(gai)寫了(le)(le)人類(lei)基因組中的(de)單個堿基。這種基因組上的(de)改(gai)變(bian)在干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)分裂(lie)的(de)過(guo)程中，能夠穩(wen)定地傳(chuan)(chuan)遞給(gei)子細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)。”而(er)“增強”指的(de)是(shi)，經過(guo)這一微小(xiao)的(de)遺(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)密碼置(zhi)換，干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)會“老”得(de)更(geng)慢，可以在患者體內存(cun)活(huo)更(geng)長時間，產生更(geng)好的(de)再生治療效果。此外(wai)，這種干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)還能抵抗(kang)癌(ai)基因的(de)侵擾(rao)，從而(er)降低轉化(hua)為(wei)癌(ai)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)的(de)風險。正是(shi)因為(wei)同時獲得(de)了(le)(le)對細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)衰老和(he)癌(ai)變(bian)的(de)抵抗(kang)能力(li)，這種干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)被稱為(wei)“遺(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)增強”的(de)干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)(bao)(bao)。

　　中國科學(xue)(xue)院動物(wu)研究(jiu)所干細(xi)胞與生(sheng)殖生(sheng)物(wu)學(xue)(xue)國家重點實驗室研究(jiu)員李偉沒有(you)參與這項研究(jiu)，他向澎湃(pai)新(xin)(xin)聞點評道：“這一發現(xian)對(dui)間充質干細(xi)胞的臨床轉化(hua)治(zhi)療具(ju)有(you)重要的價值(zhi)，同(tong)時也很好地證實了利用基因編(bian)輯技術(shu)可以促進干細(xi)胞在(zai)再生(sheng)醫學(xue)(xue)中的應用，為(wei)干細(xi)胞研究(jiu)提供了值(zhi)得借鑒的新(xin)(xin)方法(fa)。”

　　“四兩撥千斤”的核心：轉錄(lu)因子(zi)“NRF2”

　　據(ju)悉，這種“超級”干(gan)細胞是為了解決目前干(gan)細胞治療(liao)中(zhong)的(de)兩大難題(ti)——治療(liao)有效性(xing)和(he)安全性(xing)。劉光慧團隊(dui)及其合作者(zhe)通過基因(yin)編輯技術，僅改(gai)變人類基因(yin)組中(zhong)的(de)一(yi)個堿基，“四兩撥千斤”地破解這兩個難題(ti)。

　　而這個(ge)“四兩撥千斤(jin)”的關鍵改動(dong)是圍繞(rao)著(zhu)名為“NRF2”的轉錄因子展開。

　　轉(zhuan)錄(lu)因(yin)子，顧名思義，是指一(yi)種可以協助遺傳物(wu)(wu)質(zhi)DNA向RNA轉(zhuan)錄(lu)的(de)(de)蛋白(bai)質(zhi)。在(zai)劉光慧與(yu)合作者(zhe)的(de)(de)工作中，他們(men)(men)以藥物(wu)(wu)篩選的(de)(de)方式，試圖找到與(yu)干細(xi)胞衰老(lao)有(you)關(guan)的(de)(de)關(guan)鍵因(yin)子。這(zhe)一(yi)過程(cheng)中，他們(men)(men)發(fa)現，篩選出(chu)來(lai)能延緩人類間充質(zhi)干細(xi)胞衰老(lao)的(de)(de)化(hua)合物(wu)(wu)有(you)一(yi)個(ge)共同特(te)點——都能激活NRF2這(zhe)個(ge)抗氧化(hua)的(de)(de)轉(zhuan)錄(lu)因(yin)子。

　　由此，劉(liu)光慧團隊(dui)猜測，在基(ji)因層面增強NRF2的活性或許能夠延緩人(ren)類(lei)干細胞的衰老。

　　怎(zen)樣做最小改動來增強(qiang)NRF2呢?

　　在(zai)之前的研(yan)(yan)究中，研(yan)(yan)究人員已經知道，細胞里有名曰(yue)“KEAP1”的NRF2抑制蛋白(bai)，會通過結合并降解NRF2，使其(qi)無法發揮功能。與此同時，研(yan)(yan)究人員也(ye)已經知曉，在(zai)NRF2與其(qi)抑制蛋白(bai)接觸的表面上(shang)，有一個氨基(ji)酸很關鍵，負責將NRF2捆綁在(zai)抑制蛋白(bai)上(shang)。

　　那么，如(ru)果(guo)這個關鍵的氨基(ji)酸被替換(huan)掉，NRF2是(shi)不是(shi)就能脫離抑制蛋白的束縛(fu)，更(geng)好地發(fa)揮功能，保護細胞了?

　　“一石二鳥”

　　于是(shi)，為(wei)了證明這一猜想(xiang)，在人類胚胎(tai)干細(xi)(xi)(xi)胞中，劉光慧(hui)團隊使用第三代腺病(bing)毒載(zai)體HDAdV介導的(de)(de)基(ji)因編輯技(ji)術(shu)，置(zhi)換(huan)了NRF2編碼基(ji)因的(de)(de)一個(ge)堿(jian)基(ji)(A245G)。置(zhi)換(huan)后(hou)，NRF2果然(ran)得(de)以掙脫抑(yi)制蛋白的(de)(de)“控制”，大量進入細(xi)(xi)(xi)胞核，激活(huo)一系(xi)列抗氧化和(he)細(xi)(xi)(xi)胞保護(hu)基(ji)因的(de)(de)表達，使得(de)干細(xi)(xi)(xi)胞有了更長的(de)(de)“壽命”。

　　隨后，劉光慧團隊及其合作者測試了這種經過(guo)人(ren)工改造的(de)干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)在體內的(de)移植效果。值得一(yi)提的(de)是(shi)，在干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)治療中(zhong)，胚胎干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)因為會形(xing)成良性的(de)畸(ji)胎瘤而無法被(bei)直接(jie)使用，由胚胎干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)定向誘導分化(hua)而成的(de)間充質干細(xi)(xi)(xi)胞(bao)是(shi)更佳的(de)治療材料(liao)。

　　研究人員從液氮罐中取出干細胞。

　　因此，劉光慧(hui)團(tuan)隊從(cong)上述改造過(guo)的(de)(de)人(ren)類(lei)胚胎(tai)干(gan)細胞(bao)中分化獲(huo)得間充(chong)質(zhi)干(gan)細胞(bao)，并在小(xiao)(xiao)鼠(shu)身上進行實(shi)驗(yan)。實(shi)驗(yan)中，小(xiao)(xiao)鼠(shu)腿(tui)(tui)部(bu)的(de)(de)大(da)血管(guan)被(bei)結扎，出現缺血性損傷(shang)。于是，實(shi)驗(yan)人(ren)員向小(xiao)(xiao)鼠(shu)腿(tui)(tui)部(bu)注入干(gan)細胞(bao)，幫助小(xiao)(xiao)鼠(shu)的(de)(de)傷(shang)腿(tui)(tui)再生(sheng)出新(xin)的(de)(de)血管(guan)細胞(bao)，重新(xin)構建(jian)血管(guan)系統。結果(guo)顯示，相比于沒有(you)經過(guo)基因編(bian)輯的(de)(de)干(gan)細胞(bao)，經過(guo)遺傳(chuan)增強(qiang)的(de)(de)間充(chong)質(zhi)干(gan)細胞(bao)能(neng)(neng)更顯著地(di)恢復傷(shang)腿(tui)(tui)的(de)(de)血液循(xun)環，具有(you)更好(hao)的(de)(de)再生(sheng)治療能(neng)(neng)力。

　　遺傳增強(qiang)人間充(chong)質(zhi)干細胞在(zai)小鼠缺血后肢(zhi)中(zhong)再生(sheng)的血管結構。劉(liu)光慧 供圖

　　效果不錯(cuo)，但有沒有安全隱(yin)患?這是研究(jiu)人員無法繞過的(de)科學問題(ti)。

　　緊接(jie)著，劉光慧團隊及其合作者進行了安(an)全性評估。令他們驚訝的(de)(de)(de)是，經(jing)過基因(yin)(yin)編輯的(de)(de)(de)間充質干細胞雖然具有更強的(de)(de)(de)自(zi)我更新能力，但植入小鼠體內后不會形成腫瘤。就算在許多癌基因(yin)(yin)同時(shi)激活的(de)(de)(de)情況下(xia)，它也保持著高度的(de)(de)(de)基因(yin)(yin)組(zu)穩定性，對癌基因(yin)(yin)誘導的(de)(de)(de)細胞惡(e)性轉化具有很強的(de)(de)(de)“抵(di)抗力”。

　　更沒想(xiang)到(dao)的是，對(dui)于(yu)胚(pei)(pei)胎(tai)干細胞(bao)會出(chu)現畸(ji)胎(tai)瘤這(zhe)一問題(ti)，他們發現，比(bi)起普通的胚(pei)(pei)胎(tai)干細胞(bao)，經過基因編輯的胚(pei)(pei)胎(tai)干細胞(bao)產生(sheng)畸(ji)胎(tai)瘤的能力(li)大(da)大(da)被削弱，進一步(bu)在治療(liao)“安全性”上增加了籌碼(ma)。

　　總而言之，通過僅(jin)僅(jin)置換NRF2編碼基(ji)因的一個堿基(ji)，干細胞既獲得了更強(qiang)的再生修(xiu)復能力，又在很大程度上減少了安全隱患，可謂“一石二鳥”。

　　遺(yi)傳(chuan)增強的策(ce)略(lve)可標(biao)準化、規模(mo)化、個性(xing)化

　　這類遺傳增強(qiang)的“超級”干細胞具(ju)有(you)可標準化(hua)和可規模化(hua)的優(you)勢(shi)，未來或(huo)可適用于多(duo)種治(zhi)療場景。目前，研究人員已經就這項技術申(shen)請了發明專(zhuan)利。

　　但劉光慧也對(dui)澎湃新(xin)聞(wen)謹慎表示(shi)，他們(men)(men)猜想，這(zhe)類(lei)細胞(bao)的使用應(ying)該是有限(xian)制(zhi)的。目前他們(men)(men)已經證明這(zhe)一遺傳增強(qiang)策略在人類(lei)間充質(zhi)干(gan)(gan)細胞(bao)和(he)血(xue)管內(nei)皮細胞(bao)上適用，但尚未在所有細胞(bao)類(lei)型(xing)中檢測它的有效性(xing)(xing)和(he)安全性(xing)(xing)。例如，神(shen)經干(gan)(gan)細胞(bao)的自我更新(xin)需要活性(xing)(xing)氧(yang)，而抗(kang)氧(yang)化轉錄因(yin)子(zi)NRF2增強(qiang)后，神(shen)經干(gan)(gan)細胞(bao)會不會受益?這(zhe)尚是一個(ge)問(wen)號。

　　“我們(men)(men)身體中的(de)任(ren)何一種細胞(bao)類型，理(li)論上(shang)都(dou)有它們(men)(men)喜愛的(de)獨特(te)的(de)內(nei)外環境。”劉光慧(hui)說，類似(si)神(shen)經干細胞(bao)的(de)遺(yi)傳增強策略可另做(zuo)個性化設計。

　　中國(guo)科學(xue)院上海生命科學(xue)研(yan)(yan)究院營養科學(xue)研(yan)(yan)究所研(yan)(yan)究員丁秋蓉未(wei)參與(yu)該項研(yan)(yan)究，她(ta)對(dui)澎湃(pai)新聞表示，劉光慧(hui)及其合(he)作者提出的(de)對(dui)干細胞進行“遺傳增強”的(de)策略(lve)具有很廣泛的(de)應用前景。

　　“(這)可(ke)廣(guang)泛用于(yu)再(zai)生醫學，加強(qiang)對干(gan)細胞移植(zhi)物的調控，使(shi)其(qi)更好地(di)和(he)組(zu)織(zhi)工程等(deng)技術融合，在體(ti)外細胞大規模制備、類器官(guan)功能(neng)模塊構(gou)建，體(ti)內定向分化(hua)(hua)、移植(zhi)入類器官(guan)血管(guan)化(hua)(hua)和(he)神經化(hua)(hua)進程、機體(ti)微(wei)環境改善和(he)組(zu)織(zhi)修復等(deng)過程中更具導(dao)向性和(he)可(ke)控性，促進其(qi)臨床轉化(hua)(hua)。”丁(ding)秋蓉說。