小分子化合物在細(xì)胞重編程中的應(yīng)用

   2006 年，日本科學(xué)家山中伸彌等人利用四個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc）將小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（MEFs）和成體成纖維細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）^[1]，iPSCs 和胚胎多能干細(xì)胞（embryonic stem cells, ESCs）一樣，具有自我更新的能力，在體外可以長(zhǎng)期擴(kuò)增，并能夠分化為三個(gè)胚層的組織和細(xì)胞。這一研究成果使得重編程的研究工作如火如荼。

       重編程（reprogramming )是指通過(guò)一定的手段使已經(jīng)分化的細(xì)胞回復(fù)到具有分化能力的干細(xì)胞的狀態(tài)。根據(jù)所用方法的不同，重編程可以分為轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的重編程和非轉(zhuǎn)錄因子的重編程。非轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的重編程常用的方法為小分子化合物。

       小分子化合物在重編程領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。首先，小分子化合物避免了轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)重編程常用到的病毒載體整合進(jìn)基因組，不會(huì)破壞細(xì)胞基因組的結(jié)果，安全性較高；其次，大部分小分子化合物均能以滲透的方式進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用，省去了細(xì)胞轉(zhuǎn)染、病毒包裝、細(xì)胞感染等繁瑣步驟，且便于進(jìn)行定量研究，可操作性強(qiáng)；此外，小分子化合物結(jié)構(gòu)多樣、靶點(diǎn)清晰、價(jià)格低廉、易于獲得且可選擇性大；最后，小分子化合物價(jià)格相對(duì)低廉，可節(jié)省大量成本。 

   ^{圖1.分化和重編程的影響機(jī)制}

    2011 年，中國(guó)科學(xué)家鄧宏魁等人發(fā)現(xiàn)，化合物組合（VPA, CHIR99021, 616452, Tranylcypromine）可以成功替代 YAMANAKA 四因子（OSKM）中的三個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（Sox2/Klf4/c-Myc），與 Oct4 一起作用將小鼠成纖維細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞^[2]。接下來(lái)，通過(guò) 10000 個(gè)化合物的篩選，鄧宏魁團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了可以代替 Oct4 的化合物組合。從而實(shí)現(xiàn)了純化合物組合（VPA, CHIR99021, Repsox, Forskolin, Tranylcypromine, DZNep）介導(dǎo)的重編程，該研究成果于 2013 年發(fā)表在 Science上^[3]。之后，利用小分子化合物誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程又取得了很多新的進(jìn)展，見表1。此外，除了將體細(xì)胞重編程為 iPSCs 之外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)小分子化合物還可以成功將一種體細(xì)胞誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為另一種體細(xì)胞，該過(guò)程叫做轉(zhuǎn)分化。目前，僅用小分子化合物成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)分化的報(bào)道主要集中在神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞等領(lǐng)域 ^[8]。

^{表1.小分子化合物介導(dǎo)重編程研究進(jìn)展}

     胚胎發(fā)育的過(guò)程涉及眾多基因的選擇性表達(dá)，多個(gè)信號(hào)通路的開關(guān)，而重編程則是反其道而行之。目前，很多信號(hào)通路都已經(jīng)被研究得很透徹，小分子化合物可以通過(guò)靶向調(diào)節(jié)這些信號(hào)通路上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞命運(yùn)的控制。此外，小分子化合物可以直接作為藥物進(jìn)行臨床開發(fā)。小分子化合物在重編程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

 

 

Reference

 

[1]Takahashi K, YamanakaS. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblastcultures by defined factors. Cell,2006,126(4):663-676.

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[7] Han X, Yu H, Huang D, et al. A molecular roadmap forinduced multi-lineage trans- differentiation of fibroblasts by chemicalcombinations. Cell Research, 2017:1-16.

[8] Yukimasa T, Yoshinori H, Toshikazu Y, et al.Chemical compound-based direct reprogramming for future clinical applications.Biosci Rep. 2018 Jun 29; 38(3): BSR20171650.

 

 

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