Cell Stem Cell：鄧宏魁綜述化學重編程調控細胞命運的應用和未來前景

2023年8月24日，北京大學教授鄧宏魁等應邀在Cell Stem Cell期刊發表魯題爲：Chemical Reprogramming for Cell Fate Manipulation: Methods, Applications, and Perspectives 的觀點文章，綜述了化學重編程技術的建立過程，總結了過去十年該技術在調控細胞命運和功能上的應用，展望了這一技術未來發展的前景。

多細胞生物個體發育的本質是多種細胞譜系建立的過程，細胞在這一過程中面臨着一系列的命運調控。細胞命運調控的錯誤會導致產生狀態、功能、類型異常的細胞，這也是多種重大疾病形成的重要原因。建立精準調控細胞命運的方法，是實現調控個體發育、生理、代謝和衰老等生命活動以及疾病治療的基本途徑。化學重編程技術，即通過化學小分子調控細胞命運，爲細胞命運調控提供了精確、靈活、可控的手段，爲治療重大疾病和再生醫學帶來了新的可能。

長久以來，發育過程中細胞命運決定被認爲是單向不可逆的，然而細胞重編程技術的建立打破了這一固有認知，並開啓了幹細胞和再生醫學研究的新時代（圖1）。上世紀60年代，英國發育生物學家John Gurdon通過“核移植”細胞重編程技術，即利用去核的卵母細胞將體細胞逆轉到胚胎髮育的初始狀態，證明了發育過程的可逆性。2006年，日本科學家山中伸彌建立了誘導多能幹細胞技術（iPS技術），採用轉基因過表達轉錄因子的方法將體細胞重編程至類似胚胎幹細胞的多能狀態。這兩項工作證明了細胞固有的內源物質（卵母細胞質和轉錄因子）可以逆轉細胞命運，並於2012年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

然而，核移植和iPS技術採用細胞內源遺傳物質進行重編程，該方法涉及複雜的生物學反應，其過程和效應難以控制，很難實現對細胞命運的精準調控。相比之下，化學小分子刺激（非遺傳性外源物質），具有細胞膜穿透性強、有序調控性強、動態可逆、非基因組整合、操作簡單等諸多優勢。化學小分子組合可實現對多個靶點和信號通路的同時調控，易於開發精準調控細胞命運的新策略。由於生命的本質是化學過程，通過化學小分子調控細胞命運，理論上是最有效的方式。

圖1：細胞命運重編程技術

2013年，北京大學鄧宏魁團隊在Science期刊發表了題爲：Pluripotent stem cells induced from mouse somatic cells by small-molecule compounds 的論文 【2】 ，首次報道僅使用化學小分子將發育成熟的體細胞重編程到多能幹細胞 （chemically induced pluripotent stem cell，CiPS細胞） ，建立了細胞命運調控的化學重編程技術，開闢了全新的細胞命運調控途徑（圖1）。

2022年，鄧宏魁團隊又率先在Nature期刊上報道了人體細胞化學重編程的工作【3】，成功地應用化學小分子誘導人的體細胞去分化，並獲得人多能幹細胞，爲研究人體細胞命運調控和幹細胞製備與轉化提供了新範式。

與核移植和轉錄因子過表達調控的方法相比，化學重編程在精準調控細胞命運方面具有顯著優勢。首先，化學小分子可以通過組合的方式對多個靶點和通路同時調控，並且可以通過調整小分子的濃度和作用時間實現有序的精準細胞重編程。機制研究進一步表明，化學重編程是一個分階段、有序調控的過程。在誘導人CiPS細胞的過程中，細胞首先被誘導至類似低等動物斷肢再生（regeneration-like）的中間態，再被誘導至類胚外內胚層（XEN-like）的中間態，最終達到並穩定在多能狀態（圖2）。這一過程呈現出分步、逆向發育的特點，與低等動物再生過程相似：體細胞響應外源損傷信號刺激後去分化，產生介導組織再生的中間態細胞。因此，化學重編程是一種更近於自然過程的細胞命運調控方式。

圖2：化學重編程誘導人多能幹細胞

目前，化學小分子調控細胞命運已被廣泛應用於幹細胞與再生醫學研究（圖3）。利用化學小分子可以實現譜系重編程，在體外將成纖維細胞轉分化爲神經元、心肌細胞和肝臟細胞等。更重要的是，化學重編程可以在體內實現原位誘導星形膠質細胞轉化爲神經元，誘導成纖維細胞轉化爲心肌細胞等，爲體內組織器官原位再生提供了新的手段。利用化學小分子可以捕獲不同發育階段的幹細胞類型，建立了原始態（Naïve）多能幹細胞、潛能拓展的多能幹細胞（EPS）培養體系，並在體外建立全能幹細胞方面取得了重要進展。此外，利用化學小分子還可以實現原代肝臟細胞、造血幹細胞和腸道類器官等功能細胞在體外的長期維持。這些進展充分展現了化學小分子在精準調控細胞命運方面的優勢。

圖3：化學重編程在細胞命運調控方面的拓展應用

展望未來，化學重編程有望爲實現組織器官再生和對抗衰老等重大問題提供新的解決方案。通過在小鼠玻璃體腔中注射化學小分子，初步實現了體內誘導視神經再生。此外，在體細胞重編程至多能性狀態的過程中，衰老相關的表觀遺傳標記會被擦除。利用化學重編程可以將來自老年個體的體細胞重編程爲多能幹細胞，表明使用化學小分子逆轉衰老相關的表觀遺傳標記的可能性。這些工作展現出化學重編程在促進再生和對抗衰老方面的潛力。未來結合多組學、深度學習和人工智能等新技術，將進一步加速化學重編程技術在精準調控細胞命運方面的應用，爲解決機體再生和衰老等問題提供新的可能（圖4）。

圖4：化學重編程技術的未來發展方向

北京大學鄧宏魁教授、昌平實驗室孫仕成博士爲該文章通訊作者，北京大學第三醫院王金琳副研究員爲該文章第一作者。該工作獲得了國家自然科學基金基礎科學中心項目“化學重編程調控細胞可塑性”的支持。

論文鏈接：

1. https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.08.001

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1239278

3. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04593-5

題圖爲文章通訊作者、北京大學鄧宏魁教授