北大鄧宏魁《CellResearch》干細胞研究新進展

　　2014年9月5日，北京大學、軍事醫學科學院、華大基因、中日友好醫院等處的研究人員在國際學術期刊《Cell Research》以“Systematically labeling developmental stage-specific genes for the study of pancreatic β-cell differentiation from human embryonic stem cells”為題發表了一項最新研究成果，在這項研究中，研究人員開發出一種系統的策略，利用hPSCs到胰腺β細胞的直接分化作為模型，通過標記時序發育基因以包含主要的發育階段，來研究hPSC分化。這種平臺和新的研究結果，將為在體外從hESCs獲得成熟的β細胞，鋪平道路。

　　本研究通訊作者分別為北京大學生科院的鄧宏魁教授和工學院的席建忠教授。本研究受到國家重點基礎研究發展項目（973項目）、關鍵新藥創新和制造項目、科技部、國家自然科學基金、教育部和國家科技重大專項支撐項目（深圳）的資助支持。

　　人類多能干細胞（hPSCs），包括人類胚胎干細胞（hESCs）和誘導多能干細胞，可以通過循序漸進地模仿關鍵的發育事件，被有效地誘導成不同類型的細胞，從而有巨大的潛力用于研究發育生物學、疾病模型和細胞替代療法。盡管在過去的十年中，研究人員已經付出了很大的努力，但是還沒有在體外獲得完全成熟的細胞類型，這大大阻礙了這些hPSC衍生細胞的進一步應用。為了在體外能夠從hPSCs獲得成熟的細胞類型，有兩個主要的問題仍然需要解決。

　　首先，因為目前用于hPSC分化的最好程序，通常是以一種循序漸進的方式進行的，所以，每一個階段（尤其是早期階段）誘導過程中的偏差，都將會積累并可能被逐步顯著放大。以前對于hPSCs定向分化為胰腺β細胞的研究表明，胰島素（INS）生產細胞在后期的產量，對于最初兩個階段的TGF-β信號的強度和時間都很敏感。此外，每一步產生的細胞實際上是異質的。意外的細胞-細胞間相互作用和多余細胞所分泌的因子，將會掩蓋所需的信號，并誤導分化過程。因此，為了優化誘導條件，并由此為整個逐步分化過程的精確控制做好準備，制定某種策略讓我們可以監測整個分化過程的動力學和純化理想的細胞群，將具有很大的幫助。

　　第二，當前hPSC分化程序的建立，在很大程度上依賴于發育學知識，主要從非人類實驗模型（特別是小鼠）推論得出。在胰腺的情況中，兩個物種對于胰腺發育過程中關鍵調節因子（如GATA6）的需求有所不同，表明發育機制可能存在較大差異。此外，即使在小鼠模型中，胰腺β細胞的發育過程還存在一些知識差距，導致缺乏定向分化的足夠發育線索。因此，很有必要開發適當的工具，讓體外衍生的細胞群在每個階段進行分離，以進行仔細評估，從而揭示發育的不太為人了解的方面。

　　總的來說，為了解決上述問題，如果有一種系統策略可監測、純化和分析每一階段的hPSC衍生中間細胞，將是非常可取的。此前有研究表明，遺傳標記，尤其是譜系特異性轉錄因子，可以用于hPSCs發育和分化的研究。然而，一定程度上因為傳統基因打靶技術的效率較低，這類研究主要集中在分化過程，不能為整個連續過程的研究提供一種系統的解決方案。近年來，基因打靶策略所取得的突破，使我們能夠高效地進行某些細胞譜系的系統基因標記。

　　在這項研究中，研究人員借助于轉錄激活因子樣效應物核酸酶（TALEN），系統地標記了胰腺發育過程中的次序基因，首次覆蓋了來自hESCs的胰腺β細胞的主要發育階段。因而產生了一大組報告細胞系（reporter cell lines）；其中幾個細胞是在NGN3-eGFP細胞系基礎上建立的雙報告細胞系。利用這種獨特的平臺，研究人員成功地實時可視化整個分化過程的動力學，使我們能夠識別并因此分離每個分化階段的中間細胞群，用于進一步分析。

　　研究人員使用雙報告hESC細胞系，捕獲了細胞命運轉變的過程，揭開了多個細胞亞群的基因表達譜。研究通過RNA測序，進一步分析了hPSC衍生的NGN3-eGFP+細胞，并將sushi domain-containing 2（SUSD2）確定為一種新型的表面蛋白，在hESC衍生的胰細胞和發育的人胰腺中，胰腺內分泌祖細胞和早期內分泌細胞都富含這種蛋白。這個平臺和這些新的研究結果，將為體外從hESCs獲得成熟的β細胞，鋪平道路。