諾獎得主山中伸彌：深度解讀細胞重編程的命運

　　Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀念特刊，點評了在過去十年中對生物學研究影響最深的十大技術，其中就包括細胞重編程。iPS技術鼻祖山中伸彌教授，在這此特刊中發表文章解讀了細胞重編程的命運。山中伸彌教授因這一技術獲得了2012年的諾貝爾生理/醫學獎。

　　iPS技術能將體細胞轉變為誘導多能干細胞，有著很大的應用潛力，不僅能加深人們對發育和疾病機制的理解，還可以在此基礎上進行細胞治療。不過在這些美好的愿望實現之前，研究者們需要將動物模型整合到現有方案中，并且定量描述驅動重編程的基本過程。

　　自iPS技術誕生以來，細胞重編程研究如雨后春筍一般涌現出來。不論是基礎研究領域（解析單細胞如何發展成為完全功能的生物體），還是醫學研究領域（理解疾病機制并進行治療），都對理解和控制iPS過程寄予厚望。

　　我們可以這樣描述一個細胞的命運：多能狀態的細胞位于山頂，細胞中的基礎信號網絡就像重力一樣想把細胞拉下山，達到已分化狀態。因此細胞重編程中的挑戰是雙重的：不僅要把已分化的細胞抬上山頂，還要沉默那些吸引細胞分化的因子。

　　細胞重編程最初是通過逆轉錄病毒將OSKM引入細胞，不過后來其他組合的轉錄因子也獲得了成功，這說明細胞重編程涉及了復雜的動態過程和狀態轉變。這種方法生成的iPSC存在較高的異質性，會引發細胞突變，重編程效率也比較低。要將iPSC用于臨床，需要考慮避開逆轉錄病毒的其他方法。

　　正因如此，人們開發了多種第二代iPS方法，其中已經有一些表現出了更好的安全性。逆轉錄病毒的可重復性和簡便性，使其依然活躍在體外研究中。然而在再生醫學領域，附加體型載體（episomal plasmid）更受青睞。其他方法還包括腺病毒、仙臺病毒、合成蛋白和RNA。不過，這些方法盡管更為安全，但技術要求比較高，對重編程效率也并無改善。最近有研究顯示，僅通過小分子就可完成細胞重編程。這意味著，間接靶標與多能性有關的分子通路，就足以重新決定細胞的命運。

　　理解上述分子通路，可以幫助人們防止已進入多能狀態的細胞回到已分化狀態。多能細胞和已分化細胞之間，存在DNA甲基化和組蛋白乙酰化的差異。另外，靶標表觀遺傳學機制的小分子，能夠提升重編程效率。總的來說，在提升重編程效率的工作中需要特別注意表觀遺傳學因子的改變。

　　將多能性的iPSC分化成為人們想要的細胞類型，必須對許多因子加以控制。有些iPSC克 隆在分化時存在一定的偏好。對于醫學應用來說，也許不將細胞逆轉得那么徹底會更好。實際上，研究者們已經在沒有完全到達多能性狀態的情況下，成功將體細胞 重編程（有時甚至只用到了一個外源轉錄因子）。值得注意的是，這些被稱為直接重編程的技術，需要的基因組改變要少于傳統的 iPS技術，在模擬疾病方面很有潛力。

　　細胞重編程最初是在體外研究中獲得突破的，然而越來越多的研究表明，重編程也可以在體內完成，體內重編程的效率甚至比體外還要好。Abad等人的一項研究極大地鼓舞了我們，他在轉基因小鼠中通過誘導OSKM，成功重編程了多種組織的細胞。他們發現，活體內的iPSC能達到超越體外iPSC的全能狀態。進一步的分析顯示，體內iPSC在轉錄組水平上更類似于桑椹胚（morulas）而不是胚胎干細胞ESC。這些結果告訴我們，體外和體內的iPS過程存在差異，因此在轉基因動物中測試細胞重編程是很重要的。在動物模型中進行細胞重編程可以為人們揭示更多的信息，因為體內環境可能對細胞命運產生間接的影響。

　　細胞環境有著超越基因組的影響，正因如此，大規模“組學”數據將是未來細胞重編程的一個重要方面。雖然我們認為iPSC和ESC在功能上是相同的，但轉錄組、蛋白質組和表觀基因組水平的深入研究將有助于闡明環境對重編程的影響。另外，在單個細胞中同時檢測多個“組學”，將能鑒定那些造成iPSC多能性差異的基礎元件。

　　目前，細胞重編程領域普遍缺乏定量數據。實際上，文獻中的重編程效率差異，可能更多的是由體細胞內部異質性造成的，而不是方法學上的問題。定量理解這樣的異質性，可以幫助我們從細胞群體中區分出想要的細胞。

　　Buganim等人通過細胞重編程的兩個狀態，描述了異質性產生的基礎。首先，OSKM轉基因激活一系列隨機事件，當這些事件達到“適當”條件時，細胞轉變為第二個狀態。這個狀態會出現決定性的基因表達，此時轉基因被沉默，細胞被重塑為多能性狀態。在Buganim這個模型中，轉基因激活與沉默之間的平衡，是細胞重編程效率低的重要原因。我們可以換一種途徑進行重編程，激活或沉默非基因組的因子，將有望顯著提高重編程效率。“組學”數據無疑能加深我們對這些因子的認識，幫助我們理解細胞重編程的必要條件和非必要條件。

　　在這些信息的基礎上，我們可以同步細胞動態，在引入轉基因時讓大多數細胞處于最佳狀態。已經有前期工作表明，重編程動態受到一些限速步驟的調控。比如，去除組蛋白乙酰化的一個抑制子，可以使體外重編程的效率達到幾乎100%。此外，引入OSKM也會刺激甲基化等細胞過程，以維持內穩態。對于研究這些過程的動態而言，定量技術將特別有優勢。FACS和拉曼光譜才剛開始用于細胞重編程的定量研究，就已經表現出了很大的潛力。

　　細胞重編程受到公眾關注，主要是因為它在疾病模擬和醫療保健中的應用。神經退行性疾病的患者特別能從這一技術中獲益，因為生成神經元的iPS方案要優于其他細胞類型，而且患者神經元通常很難獲取。目前，細胞重編程技術最適合研究特定基因組突變引起的疾病，因為重編程會重設表觀基因組。盡管有證據表明，iPS技術也能用來研究復雜基因組改變引起的疾病，但目前的模型一般不足以研究異常細胞網絡或動態引發的疾病。

　　近年來，iPS研究發表的數量和速度都很驚人，但這些研究還局限于檢測相對簡單的系統。對于復雜網絡引發的問題或疾病，就需要采用能描述網絡互作的定量技術或者轉基因動物模型。這些方面的進步將加深我們對重編程機制的理解，有助于早日實現人們對這一技術的期望。