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Nature:重磅!清华丁胜教授课题组发现仅需三种小分子就可将小鼠多能干细胞变成全能干细胞

  从克隆到再生,如何找到创造或恢复生命的替代路径一直是生物学家的大问题之一。针对这个问题,在一项新的研究中,中国清华大学药学院院长丁胜(Sheng Ding)教授课题组发现三种小分子---TTNPB、1-Azakenpaullone和WS6---的组合使用可将诱导小鼠多能干细胞(pluripotent stem cell, PSC)变成全能干细胞(totipotent stem cell, TotiSC),他们称之为化学诱导的全能干细胞(chemically induced totipotent stem cell, ciTotiSC),而且ciTotiSC在转录组、表观遗传组和代谢组水平上类似于小鼠双细胞胚胎期全能细胞。此外,ciTotiSC具有双向发育潜力,在体外和畸胎瘤中都能产生胚胎细胞和胚外细胞。重要的是,ciTotiSC可以自行变成一个完整的生物。相关研究结果于2022年6月21日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail”。

  丁胜教授课题组还能够在实验室中保持ciTotiSC的分化潜力,为后来的科学家们揭开生命创造的神秘面纱提供了一个稳定的系统。这种替代途径---从更成熟的细胞而不是新的精子和卵子中获得生命最早的原始材料--可能会产生广泛的影响。丁胜教授说,“这种对自然创造生命起源方式的替代是生物学的最高目标。”

  生命的创造始于一个细胞。你的血液、大脑和肝脏细胞都可以追溯到这个单细胞胚胎或受精卵。在自然界中,当精子和卵子融合在一起时,就会产生受精卵,即合子。这一事件启动了一个不可逆的过程,即受精卵分裂,形成新的细胞,而且这些新的细胞继续分裂,变得越来越特化。

  随着特化程度的提高,在这一过程中也会失去一些东西。一旦单细胞胚胎分裂并进入双细胞胚胎期,较晚产生的细胞将迅速失去分化潜力,无法产生生成整个生物及其支持组织(如卵黄囊和胎盘)的所有细胞类型,成为效力较弱的干细胞。

  科学家们将这些在单细胞胚胎期和双细胞胚胎期的全能细胞称为全能干细胞。然而,在不断的细胞分裂过程中,全能干细胞会逐渐产生多能干细胞和专能干细胞。丁胜教授说,“通常在全能干细胞之后,其他干细胞都没有可能自行变成一个生命。”

  为了更好地研究和控制全能干细胞,丁胜教授及其课题组建立了一个系统,实现了这些全能干细胞的诱导和维持,并以严格的标准确认了它们的身份。

  凭借20年的研究工作和对细胞命运和利用化合物调控干细胞的理解,丁胜教授课题组选择并筛选了数千个小分子组合。通过多轮分析,他们确定了三种小分子:TTNPB、1-Azakenpaullone和WS6,可以将小鼠多能干细胞诱导为TotiSC。他们将这些分子称为TAW混合物。丁胜教授解释说,在这项新的发现之前,它们的综合效应并不为人所知。

  丁胜教授课题组随后详细研究了接受TAW混合物处理的小鼠多能干细胞,包括它们的全能性和非多能性。所产生的TotiSC在所有的转录组、表观基因组和代谢组水平上通过了严格的分子测试标准。比如,他们发现,在TAW混合物诱导的TotiSC中,有数百个关键基因被打开。这些基因通常在全能干细胞中发现,并已被该领域的其他科学家们指出为确定全能性的标准。与此同时,与多能干细胞相关的基因在TotiSC中被沉默了。

  为了进一步证实TAW混合物诱导的TotiSC具有真正的全能状态,丁胜教授课题组在体外测试了它们的分化潜力,并将它们注射到小鼠早期胚胎中以观察体内的分化潜力。他们发现,TotiSC不仅在培养皿中表现得像真正的全能干细胞,而且在体内也能分化为胚胎细胞谱系和胚胎外细胞谱系。这是正常全能干细胞的一种典型特征,即有潜力同时发育成胎儿及其周围的卵黄囊和胎盘,而多能干细胞只能发育成胎儿。

  图片来自Stem Cells and Development, 2019, doi:10.1089/scd.2019.0057。

  此外,当丁胜教授课题组对TAW混合物诱导的TotiSC使用特殊培养条件时,TotiSC通过细胞分裂产生的细胞也显示出类似的全能性特征。这一观察表明,TAW诱导的TotiSC的全能性可以在实验室环境中维持,从而建立了一种稳定的系统。

  这样的一种系统是很重要的,因为它将使许多有关生命起源的科学调查成为可能。例如,科学家们可以利用这种系统来操纵TotiSC,以更好地了解生命开始时的高度协调过程。丁胜教授说,“某些细胞必须在正确的时间和正确的地点出现,生命才会发生,而且没有适当的工具,人们就无法研究这个问题。”他说,在这个意义上,“这篇论文是第一步,开辟了巨大的机会”。

  此外,对全能干细胞有更深入的了解因而对它们进行控制,将产生广泛的影响,比如为单个生命的创造赢得第二次机会,甚至加速一个物种的进化。

  丁胜教授承认,许多可能性将引发争议。值得注意的是,他提到,虽然这些可能性都存在于遥远的未来,但很难预测社会的伦理问题会是什么样子。毕竟,在过去的十年里,科学界对人类胚胎研究的限制还没有放松过。但在去年,人们开始认真考虑将人类胚胎在培养皿中的保存时间从最初的14天延长。

  虽然丁胜教授课题组高度意识到伦理方面的考虑,但是他认为,作为科学家们,他们的主要工作是专注于当前的发现,并为子孙后代奠定基础。然后,后者将拥有做出决定的知识和工具。(生物谷 Bioon.com)

  参考资料:

  Yanyan Hu et al. Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04967-9.

  内容来源:生物谷


点击量:204 发布日期:2022-07-04 16:15:59