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【云顶娱乐】生物物理所等通过编辑长寿基因获得优质人类血管细胞

再生医学领域存在两个亟待解决的重要科学问题:第一,干细胞治疗的有效性,即如何获得更多高质量的可供移植治疗的人类干细胞,如何赋予这些细胞移植物更强的自我更新、存活、定向分化以及对移植环境的耐受能力,以便令其在体内发挥更为持久的治疗效果;第二,干细胞治疗的安全性,即如何有效降低细胞移植物在体内形成肿瘤的风险。最新发表的这项研究工作聚焦于上述两个重要问题,期望通过基因编辑手段对细胞内的关键基因和信号通路进行精确调控,从而同时实现干细胞活力的提高及致瘤性的减弱,最终获得优质安全的人类干细胞移植物。

科研人员此次得到的GES细胞能够有效地解决这两个问题,因此被称为“超级”干细胞。

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日前,中科院生物物理所刘光慧课题组、北京大学汤富酬课题组和中科院动物所曲静课题组联合开展的研究进一步拓展了基因编辑技术的应用范围。研究人员利用基因编辑改写了人类基因组遗传密码中的单个碱基,首次在实验室中获得了遗传增强的“超级”干细胞。这种GES细胞能够对细胞衰老和致瘤性转化产生双重抵抗作用,因此为开展安全有效的干细胞治疗提供了可能的解决途径。该研究工作于7月7日以“Genetic
enhancement in cultured human adult stem cells conferred by a single
nucleotide recoding”为题发表于权威学术杂志Cell Research。

据该研究主要完成人之一刘光慧研究员介绍,再生医学领域存在两个亟待解决的重要科学问题:一是干细胞治疗的有效性,即如何获得更多高质量的可供移植治疗的人类干细胞,能够令其在人体内发挥更为持久的治疗效果;二是干细胞治疗的安全性,因为有研究发现,干细胞移植物可能带来形成肿瘤的风险。

该项研究首次利用基因编辑技术实现了人类血管细胞的功能增强,揭示了长寿蛋白FOXO3维持人类血管稳态的新机制,从概念上证明了利用基因编辑策略获得优质安全人类血管细胞移植物的可行性。此外,该研究使规模化和标准化制备优质安全的人类细胞治疗材料成为可能,为未来的再生医学提供了一个具有潜力的选项,对发展更加安全有效的临床细胞治疗策略具有深远意义。

从提高农作物的抗病能力,到原位编辑动物遗传密码,再到靶向摧毁发生基因突变的线粒体,乃至特异性矫正病人细胞中的致病基因突变,基因编辑技术的迅猛发展正在为人类的健康和生活带来不同层面的改变。

干细胞治疗具有广泛的临床前景,让攻克诸多不治之症成为可能。但其有效性和安全性一直是亟待解决的问题。我国科学家首次利用基因编辑技术,在实验室中获得了遗传增强的“超级”人类干细胞,不仅为开展安全有效的干细胞治疗提供了可能的解决途径,也进一步拓展了基因编辑技术的应用范围。这一研究由中国科学院生物物理研究所刘光慧课题组、北京大学汤富酬课题组和中国科学院动物研究所曲静课题组联合开展,7月7日发表于国际学术杂志《细胞研究》上。

刘光慧团队长期致力于衰老、干细胞和基因编辑的研究,并取得一系列开拓性的研究成果。包括:利用辅助病毒依赖的腺病毒载体介导的基因编辑首次实现了人类干细胞中致病基因突变的高效矫正(Cell
Stem Cell

2011);首次证明了HDAdV和TALEN两种基因编辑工具的安全性,发展了安全高效的新型基因编辑工具telHDAdV(Cell
Stem Cell

2014);在人类干细胞中修复或编辑了10余种致病基因突变,并基于此建立了系列疾病研究和药物筛选平台(Cell
2016,Science 2015,Nature 2012,Nature 2011,Nat Commun
2014,Cell Stem Cell 2011,Cell Res 2016;Protein Cell
2016,Aging Cell
2017);在经典基因编辑工具TALEN基础上研发三维基因组动态成像工具TTALE(Cell
Res
2017);利用CRISPR/Cas9建立了世界上首例长寿基因敲除猴模型(Nature
2018)。

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同时,研究人员也对GES细胞进行了安全性评价,发现在移植入免疫缺陷小鼠体内后并不会形成肿瘤。更令人兴奋的是,GES细胞还表现出对癌基因诱导的细胞恶性转化的强抵抗作用。这说明,利用GES细胞进行干细胞移植,能够降低细胞移植治疗的安全风险。

当FOXO3遗传激活的人类胚胎干细胞被定向分化为血管内皮细胞、血管平滑肌细胞及间质细胞时,这三种血管细胞均表现出比野生型细胞更强的自我更新、抵抗氧化损伤及延缓细胞衰老等能力。在机制方面,内源激活的FOXO3通过拮抗CSRP1基因表达介导对血管细胞衰老的抵抗作用。更为重要的是,将遗传增强的人类血管细胞靶向移植到动物模型的缺血部位,可高效促进受损血管的再生,迅速恢复缺血部位的血流,证明这些细胞具有明显优于野生型细胞的血管修复能力。为验证遗传增强干细胞作为移植材料的安全性,研究人员将多种致癌因子导入野生型和遗传增强的干细胞中,发现遗传增强干细胞还可以有效地抵抗癌基因诱导的细胞恶性转化。综上所述,通过改写人类基因组中的两个碱基,研究团队成功建立了可同时抵抗细胞衰老和癌变的优质人类血管细胞。

研究人员通过筛选可以延缓干细胞衰老的小分子化合物,发现抗氧化转录因子NRF2的激动剂能延缓人类早衰症患者间充质干细胞的加速衰老。在既往的低等模式生物研究中,NRF2的缺失会导致生物体寿命缩短,反之其过表达则有助于寿命的延长。而生物物理所研究团队2016年发表在Cell上的文章和此项研究则进一步揭示人类间充质干细胞的衰老伴随着NRF2蛋白水平的显著下调;反过来,NRF2的功能增强又能够改善衰老间充质干细胞的活力。因此,研究人员推测在编码基因水平增强NRF2的活性或许能够延缓人类干细胞的衰老。

(原载于《光明日报》 2017-07-08 08版)

中国科学院生物物理研究所刘光慧研究组、北京大学汤富酬研究组和中国科学院动物研究所曲静研究组联合攻关,通过靶向编辑单个长寿基因产生了世界上首例遗传增强的人类血管细胞。这些血管细胞与野生型血管细胞相比,不但能更高效地促进血管修复与再生,而且能有效抵抗细胞的致瘤性转化。遗传增强人类血管细胞的成功获得为开展安全有效的临床细胞治疗提供了重要解决途径。该研究工作于1月18日以FOXO3-engineered
human ESC-derived vascular cells promote vascular protection and
regeneration
为题发表在Cell Stem Cell

与此同时,研究人员还考察了GES细胞在经过体内移植之后是否也会具有更强的存活、整合和组织修复能力。研究结果表明,将上述GES细胞移植入小鼠体内后能够表现出更强的存活和整合能力,并能够显著促进缺血损伤模型小鼠后肢血流的恢复,证明GES细胞在移植后能够表现出优于普通干细胞的再生修复能力。

刘光慧介绍,GES细胞是一种具有遗传增强的干细胞,能赋予人类干细胞及其分化衍生物更强的活性和自我保护能力。小鼠实验也表明,GES细胞在移植后能够表现出优于普通干细胞的再生修复能力。在这一研究中,研究人员首先通过筛选可以延缓干细胞衰老的小分子化合物,发现抗氧化转录因子NRF2的激动剂,能延缓人类早衰症患者间充质干细胞的加速衰老。随后,他们将基因编辑的人类胚胎干细胞定向分化成为具有治疗潜力的间充质干细胞,并发现这些间充质干细胞的自我更新,以及抵抗应激和细胞衰老等能力均获得了显著增强。而且,由该种胚胎干细胞定向诱导分化而来的血管内皮细胞,也表现出强大的抵御氧化损伤的能力,进一步支持了上述结论。

FOXO3是重要的人类长寿基因,与延缓细胞衰老、抵御外界应激和增强心血管稳态关系密切。此外,FOXO3的活化可通过诱导抑癌基因表达抵抗细胞的恶性转化。研究人员历时六年的探索,最终利用第三代腺病毒载体HDAdV介导的基因编辑技术巧妙地置换了人类胚胎干细胞中FOXO3基因的第3号外显子中的两个单核苷酸,从而实现了抑制细胞中FOXO3蛋白的磷酸化和降解,促进FOXO3在细胞核内的聚集进而激活下游靶基因的表达。

为了证明这一点,研究人员利用第三代腺病毒载体HDAdV介导的基因编辑技术在人类胚胎干细胞中置换了NRF2基因第2号外显子中的单一核苷酸。这一单碱基置换使得细胞中的NRF2蛋白脱离了其抑制蛋白KEAP1的束缚,进而通过转位至细胞核,激活一系列抗氧化和细胞保护基因的表达。

有评论认为,该研究的意义不仅在于创造了一种优质安全的人类间充质干细胞,更重要的是还为针对不同组织类型及疾病特性设计不同遗传增强方案的研究奠定了基础,使得规模和标准化制备优质安全的人类细胞移植材料成为可能。

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云顶娱乐,随后,研究人员将基因编辑的人类胚胎干细胞定向分化成为具有治疗潜力的间充质干细胞,并发现这些间充质干细胞的自我更新以及抵抗应激和细胞衰老等能力均获得了显著增强。此外,由该种胚胎干细胞定向诱导分化而来的血管内皮细胞也表现出强大的抵御氧化损伤的能力。这些结果均说明该遗传增强策略能够赋予人类干细胞及其分化衍生物更强的活性和自我保护能力。

图:FOXO3功能增强可延缓血管衰老,增强应激抵抗并防止细胞癌变

刘光慧课题组等首次获得遗传增强“超级”干细胞

干细胞技术在再生医学中具有广阔的应用前景。由干细胞体外诱导分化获得的多种类型细胞移植入病灶部位后,可达到促进病损组织再生、恢复组织器官稳态和功能的目的。然而,干细胞治疗在有效性和安全性方面尚存局限,阻碍了该技术的普及。

本次遗传增强人类血管细胞的获得,是继2007年刘光慧团队创建国际首例抵抗细胞衰老和癌变的遗传增强人类干细胞(Cell
Res

2017)之后,人类细胞功能增强策略应用于再生医学研究领域的又一次突破。这些研究成果均表明,人类基因组的遗传密码可以被创造性改写,并有望被安全有效地应用于疾病治疗。

该研究工作由中科院生物物理所、中科院动物所、中科院干细胞与再生创新研究院、北京大学、首都医科大学宣武医院等机构合作完成。刘光慧、汤富酬以及曲静为共同通讯作者。生物物理所硕士研究生颜鹏泽和北京大学博士研究生李晴晴为并列第一作者。该项目得到科技部、国家自然科学基金委和中科院战略科技先导专项的支持。