2025年1月3日，北京大學、昌平國家實驗室鄧宏魁課題組與北京大學關(guān)景洋課題組合作在國際學術(shù)期刊Nature Chemical Biology上發(fā)表了題為“A Rapid Chemical Reprogramming System to Generate Human Pluripotent Stem Cells”的最新研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)了化學重編程體系的關(guān)鍵表觀遺傳障礙，進一步升級了快速化學重編程體系，實現(xiàn)最短10天即可將人成體細胞誘導為多能干細胞。
圖1.本研究相關(guān)論文首頁截圖
多能干細胞具有無限自我更新和分化為生物體所有功能細胞類型的能力，是再生醫(yī)學領(lǐng)域最關(guān)鍵的“種子細胞”。如何在體外誘導獲得人多能干細胞一直是生命科學領(lǐng)域的重要問題?；瘜W重編程技術(shù)利用化學小分子組合有效調(diào)控細胞命運，可以逆轉(zhuǎn)已分化的體細胞為多能干細胞，為人多能干細胞的制備提供了全新的策略。相較于傳統(tǒng)過表達轉(zhuǎn)錄因子的重編程策略，化學重編程技術(shù)具有突出的優(yōu)勢?；瘜W小分子可以通過直接靶向信號通路和表觀遺傳因子，以更簡單、靈活、可控的方式調(diào)控細胞命運，同時還可有效規(guī)避傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因策略潛在的安全風險。此外，化學小分子還具有易于大規(guī)模合成和標準化生產(chǎn)等優(yōu)點。化學重編程技術(shù)為進一步實現(xiàn)再生醫(yī)學個性化臨床應用提供更多可能性。
鄧宏魁團隊多年來一直致力于化學重編程調(diào)控細胞命運的研究。2013年，該團隊首次報道僅使用化學小分子將小鼠體細胞重編程為多能干細胞(Chemically induced pluripotent stem cells, CiPS細胞)，開創(chuàng)了一條全新的體細胞重編程路徑(Science,2013；Cell,2015;Cell Stem Cell,2018)。2022年，該團隊首次建立了利用化學小分子誘導人體細胞重編程為多能干細胞(人CiPS細胞)的技術(shù)體系，為人類多能干細胞的制備提供了全新途徑(Nature,2022)。在此基礎(chǔ)上，2023年對化學重編程技術(shù)進行了首次升級，在誘導效率和誘導時間方面進行了優(yōu)化，同時建立了滿足臨床應用需求的人體細胞化學重編程體系(Cell Stem Cell，2023)。近期，該團隊報道了利用人CiPS細胞制備的胰島細胞移植治療I型糖尿病的臨床研究，患者在移植后初步實現(xiàn)了I型糖尿病的功能性治愈(Cell, 2024; Nature Medicine, 2022; Nature Metabolism,2023)。這一系列研究成果表明了化學重編程技術(shù)在再生醫(yī)學領(lǐng)域治療重大疾病方面的重要應用價值。
圖2.化學誘導人多能干細胞的應用前景
盡管人體細胞化學重編程技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)了在再生醫(yī)學應用中的巨大潛力，現(xiàn)有的方法在不同個體來源的人體細胞誘導獲得CiPS細胞效率上仍存在較明顯的差異，部分個體來源細胞的重編程效率較低，且實現(xiàn)高效誘導的時間相對也還較長。建立更快速、普適性更高的化學重編程方法將極大促進人CiPS細胞在再生醫(yī)學領(lǐng)域的應用。
在本研究中，鄧宏魁團隊通過對不同個體來源的體細胞進行對比分析，發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾相關(guān)酶KAT3A/B和KAT6A在難誘導的細胞系中富集表達，對維持細胞身份至關(guān)重要。通過對這些靶點的進一步調(diào)控，成功建立了新的快速人體細胞化學重編程體系，有效解決了人CiPS細胞在誘導時長和普適性方面的不足。快速化學重編程體系將高效誘導人CiPS細胞所需時間從30天縮短至16天以內(nèi)，最短僅需10天即可完成誘導。該方法在不同遺傳背景、不同年齡的15名個體來源的體細胞上進行了測試，均實現(xiàn)了CiPS細胞的高效誘導，誘導效率高可達38%。對于此前重編程效率低的供者細胞，利用該快速化學重編程體系可以將16天內(nèi)的重編程效率提高20倍以上，成功將原先較難誘導的人體細胞高效誘導為人CiPS細胞，大大提升了化學重編程技術(shù)應用于不同個體的普適性。
圖3. 建立快速化學重編程體系誘導人CiPS細胞
在此基礎(chǔ)上，該團隊還深入解析了通過調(diào)控KAT3A/B和KAT6A顯著增強化學重編程效率的機制。通過基因表達譜和組蛋白修飾譜的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，重編程早期抑制KAT3A/B和KAT6A會加速體細胞相關(guān)基因的關(guān)閉。更重要的是，該處理還會導致下一個階段需要激活的基因的增強子區(qū)域表觀修飾處于更加待激活的狀態(tài)。這種表觀修飾的變化促使這些基因在下一個階段可以迅速激活轉(zhuǎn)錄，從而縮短了誘導時間。通過單細胞RNA測序分析進一步驗證了，抑制KAT3A/B和KAT6A可以更快速地打破體細胞基因程序，并抑制了原先體系異常激活的基因，這些變化也促進了下一個階段關(guān)鍵基因快速激活?？傊焖倩瘜W重編程在表觀上促進了關(guān)鍵基因的啟動，并抑制了異常激活基因的表達，這種表觀基因組切換的方式令小分子誘導細胞命運轉(zhuǎn)變更直接、普適，并顯著加快了化學重編程的速度。
圖4. 快速化學重編程體系加速表觀遺傳修飾的變化
這項研究進一步完善了化學重編程技術(shù)制備人多能干細胞的方法，為后續(xù)應用于再生醫(yī)學領(lǐng)域提供了更加快速高效穩(wěn)定的底層技術(shù)體系。這一快速化學重編程體系將極大促進人多能干細胞在再生醫(yī)學領(lǐng)域的廣泛應用，為臨床治療和個性化醫(yī)療提供更多可能性。
北京大學王楊璐博士、彭芳琪、楊芷涵、成林博士、曹靖宵為該研究的共同第一作者。鄧宏魁教授、關(guān)景洋副研究員和成林博士是這一研究成果的共同通訊作者。北京大學李程教授為本研究的生物信息分析提供了重要幫助。本工作獲得了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國博士后科學基金等支持。
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