特殊干细胞

这个月的《裸遗传学》节目，我们将回到胎儿在子宫里成长的生命最初时刻。我们的故事从受精的那一刻开始，当卵子和精子相遇，产生受精卵或受精卵……

这个单细胞，不知何故包含了制造婴儿所需的所有信息，分裂形成由特殊干细胞组成的胚胎。反过来，这些干细胞分裂并分化，最终形成身体的所有组织。那么这是怎么回事呢?

为了寻找这些隐藏的生物学秘密，凯特·阿尼踏上了自己的旅程——沿着M11公路来到剑桥郊外的巴伯拉罕研究所——会见了一些英国顶尖的发育生物学家。

巴伯拉罕研究所的小组负责人彼得·拉格-冈恩对所谓的多能干细胞着迷，这种细胞可以变成各种不同的组织。Kat想知道它们为什么这么有趣?

所以多能性是一种非凡的状态。基本上，我们能做的就是在培养皿中保持干细胞的非特化形式，它们可以经历自我更新的过程，它们可以不断地复制自己。

然后你可以触发细胞分化。你可以诱导它们进入不同的谱系多能性是指分化成我们体内所有不同细胞类型的能力。

这在一定程度上支持了干细胞在再生医学中的应用——例如，如果你想制造一个新的胰腺细胞，那么多能性细胞提供了一个很好的起始细胞材料。

凯特:当人们想到干细胞时，他们可能会想到非常早期胚胎中的干细胞。一小团干细胞可以变成身体的一切，这些干细胞通常被描述为全能的，它们可以变成一切。全能性和多能性的区别是什么?

彼得:当然。因此，全能性是指细胞形成任何可能的细胞类型的能力特别地，它包括所有的胚胎外细胞类型，比如胎盘。多能性细胞具有形成成体细胞的能力。但它不能再形成像胎盘一样的细胞了。

我认为你说到点子上了。值得注意的是，在人类胚胎中，例如，在这个7天大的胚胎中，大约有10个左右的这种多能细胞，这10个细胞构成了我们身体中所有不同的数万亿细胞，我认为这是一个非常了不起的过程。

凯特-是的。这就是为什么我想成为一名发育生物学家。我想，“哇!这是怎么做到的?”那么，它是如何工作的呢?当一个细胞是多能性的，当它可以制造更多的自身或者沿着一条途径变成其他类型的细胞时，发生了什么?这是怎么回事?

所以我认为重要的是要记住，在胚胎本身，细胞是多能的，它们可以制造所有不同的细胞类型，但它们在胚胎中不会长期保持多能或非特化状态。这实际上是一个短暂的阶段。

在实验室里，当我们在皮氏培养皿中培养人类多能细胞时，我们可以在很长一段时间内——至少几年——在这种未分化状态下捕获细胞，然后驱使它们特化。所以，它确实提供了一个很好的系统，在这个系统中，你可以根据你刚才问我的问题提出问题。

你知道，简单的答案是我们不知道，但我们从不同物种的发育中得到了很多线索，所以我们可以很好地理解通过阅读果蝇或老鼠等可能涉及的信号。通常，这些机制是守恒的。因此，我们可以将这些不同的化学物质应用于培养皿中的人类干细胞通常，它们可以触发相同形式的细胞分化。

我认为目前这个领域最令人兴奋的是我们对人类胚胎的发育有了更多的了解。目前有很多关于这个问题的讨论和对话。例如，就在最近，一篇论文发表了，他们开始研究人类胰腺细胞在人类胚胎中发育时的基因表达路线图。

现在，我们也有了这个基准来比较我们的干细胞分化，所以我们知道干细胞是否沿着正确的路线变成胰腺细胞，以及这与人类胚胎的过程有多相似。

Kat -我们已经谈了很多关于胚胎细胞的话题，目前最热门的词汇之一就是IPSCs或诱导多能干细胞。那么，它们与你在胚胎中发现的多能细胞有什么关系呢?它们来自哪里?

彼得:对。所以IPS细胞基本上是重新编程的细胞。这个发现几年前被授予了诺贝尔奖这个发现是你可以取任何类型的细胞，典型的是皮肤细胞，你可以添加相当小的一组基因，遗传物质我们知道这与多能性有关。

在几周的时间里，这些皮肤细胞慢慢地转化并重新编程成一种细胞类型非常非常类似于你可能从胚胎中获得的多能细胞。它们似乎有相似的性质。你可以用类似的方式培养它们，然后它们可以重新分化成任何其他类型的细胞。

Kat:所以现在我们可以用实验室里的多能干细胞，你可以用某些因素处理它们，它们就会变成各种不同类型的组织。然后，你可以把已经分化成组织的细胞往回拨。这是一个非常强大的位置。那么，我们可以用这些知识做些什么呢?现在我们可以让细胞向前或向后旋转了，我们该怎么做?

彼得:这是个好问题。我最感兴趣的一件事是，什么是这种重编程的表观遗传和遗传调控因子以及前向编程?例如，现在我们可以使用一些新的基因工具，比如CRISPR。

然后我们可以使用这些技术随意删除基因，然后我们可以问这些细胞现在是否可以重新编程回到多能状态。如果它们不能，那就告诉我们这些基因是重编程所必需的，然后它给了我们一个线索来研究这些基因，并问为什么它们是必要的。

所以这个系统现在是一个非常有力的方法来尝试和理解这些过程的调节因子细胞是如何从A到B的现在，我们可以开始理解这些调节因子是什么。

利用干细胞，利用IPS细胞进行组织工程是一件令人兴奋的事情。好了，你想要构建胰腺，让我们取一些细胞，把它们绕回去，把它们变成胰腺细胞。极限在哪里?我们还需要做什么?我的意思是，我们基本上可以制造出人类的所有部分了吗?基本上，我什么时候能得到替换的身体部位?

彼得:是的。几年前，这可能是科幻小说，但现在，它变得更接近了。现在已经有针对糖尿病的临床试验了很快也会有针对帕金森氏症和其他退化性疾病的临床试验。

我们仍然存在一些问题，一些数据表明，我们产生的细胞本质上并不是真正的成人细胞，而可能更像胎儿。所以，在某些情况下，这可能是没问题的，但另一方面，胎儿细胞表达不同的酶和不同水平的蛋白质和类似的东西。

所以它们是否真的能在疾病情况下真正发挥作用，我认为还不清楚。同时，我们现在仍然不知道这些疗法的安全性这也是人们正在努力研究的一个大领域。

所以，你把你的多能细胞放在一个培养皿里，然后你说，“好吧，我们想要制造心肌。”第一步是什么?你能直接从干细胞转移到心肌吗?你是否需要让他们接受基本的“培训计划”?

彼得:有很多不同的方法。我认为最有效的方法，大多数人做的方法是试着概括他们的元素，让他们了解胚胎用来制造心脏的这些基本要素。

因此，首先要制造中胚层因此可能会有少量BMP和Wnt然后一旦制造出这种细胞类型，就会继续制造下一种细胞类型，以此类推。你可以从不同的阶段来考虑。

但是有一些值得注意的研究表明人们似乎直接从一种细胞类型转变为另一种细胞类型，通常是通过过度表达我们知道在特定细胞类型中很重要的基因他们经历了什么中间阶段?我想谁知道呢?

凯特-这听起来像一个不可思议的黑客，不是吗?就像，不经过，直接进入脑细胞。

彼得:对，没错。我们还可以直接处理哪些细胞类型?它是如何工作的?

当你从表观遗传学的角度思考问题时，我们知道，在我们的一生中，我们仍然保持着相同的基因，但物质发生了变化。表观遗传的印记可以留下，也可以去掉。当你尝试制造干细胞时，你的年龄有关系吗?当人们在这些不同的阶段移动细胞时，这些标记是如何保留或丢失的?

彼得:当然。所以，我所知道的数据，如果你重新编程一个皮肤细胞，例如，从一个年老的捐献者身上，让它变成一个多能IPS细胞，看起来大部分老化的特征都被移除了，本质上被逆转了，细胞又变得年轻了，如果你愿意，那么它们的甲基化或表观遗传时钟又回到了零。

然后，随着细胞重新分化，生物钟似乎又开始了，但以一种相当正常的方式。所以，最终你得到的特化细胞似乎并没有过早衰老到你所期望的那样。

有趣的是，如果你直接从衰老的皮肤细胞中制造一个特化的细胞，那么在这种直接途径中，它似乎保留了衰老细胞最初的这些特征。因此，如果你经历了多能性阶段，那么这些特征中的一些就会被去除。

凯特-那很有趣。随着年龄的增长，我想，“哦!我怎样才能使自己更年轻呢?”所以你的意思是，我基本上要把我所有的细胞重新编程成多能状态，然后重新开始。

彼得:是的。我不确定我是否会推荐它作为治疗方法。

凯特-彼得·拉格冈和他的多能干细胞。