幹細胞研究權威期刊《Cell Stem Cell》為了慶祝「幹細胞認識日」(Stem Cell Awareness Day,10月14日),特別報導了《Cell Stem Cell》10月刊18位論文作者分享的科研靈感和動力,希望這些個人經歷和科研幕後故事能給讀者以啟發。本文編譯了其中8位科學家的感想:
Allison Bond
——論文「 Adult Mammalian Neural Stem Cells and Neurogenesis: Five DecadesLater 」第一作者
在這篇文章中我們發現的幹細胞具有強大的活力,其用途有待開發。
長期以來,科學家們都認為成體神經幹細胞(NSCs)是一種具有無限自我更新能力的均質細胞。在我進入成體NSC研究領域的時候,一些研究證明NSCs實際上是異質的,不均勻的,它們的自我更新能力,休眠期和命運均不同,這說明NSC亞群在整體NSC幹細胞貢獻不同,必須協調相互的作用。而亞群之間的不平衡也許就會損傷NSC,導致NSC功能衰退。
我們的工作主要是了解成體NSCs中如何形成這種異質性,我對幹細胞周圍微環境分子機制尤為感興趣,因為我們實驗室近期的研究發現休眠期成體NSCs受控於外在微環境信號來引導它們的行為,而激活的NSCs和祖細胞則是依賴於內在轉錄和翻譯過程。我希望通過了解不同微環境因素對特定NSCs亞群的調控,能深入解析NSCs。
Michael Cleary
——論文「 CD93 Marks a Non-Quiescent Human Leukemia Stem Cell Population andIs Required for Development of MLL-Rearranged Acute Myeloid Leukemia」通訊作者
尋找白血病幹細胞生物標記物將有助於探索靶向治療方法。
我對幹細胞的興趣來自早期血液形成細胞癌基因的研究,我們在惡性血液病中發現了幾個新的致癌基因,之後通過解析這些致癌基因的特性,我們發現白血病發病是由主要轉錄調控子出問題導致的,文中指出CD93+白血病幹細胞是一種具有分裂能力,非休眠的白血病起始細胞,其中CD93是一種細胞表面凝集素,也就是MLL基因重排極性白血病幹細胞的功能性標誌分子。這些發現將有助於了解癌症幹細胞到底是如何而來,並且CD93也能作為免疫治療的一個候選靶標。
Francesca D』Addio
——「CirculatingIGF-I and IGFBP3 Levels Control Human Colonic Stem Cell Function and AreDisrupted in Diabetic Enteropathy」共同第一作者
IGFBP3的發現意外的令我從糖尿病研究跨越到了再生醫學。
我第一次接觸到幹細胞研究還是在十年前了,當時我正在進行腎臟病學臨床培訓,參與了一個研究腎臟再生的幹細胞項目。我們機體中的一些內在修復系統,也就是某些成體組織中的幹細胞池能在機體受損或者生病的時候進行補給,這讓我覺得太神奇了!
這些令人驚異的細胞指出了一種新型器官移植再生醫學新方法,但是我很快也意識到幹細胞不僅自我更新能力可以作為資源,而且也具有其它重要的作用,比如調節免疫應答。
我很榮幸的參與了一項多機構合作研究項目,這個研究證明了幹細胞療法能通過停止對胰島自身免疫性攻擊,恢復I型糖尿病患者的胰島素不依賴性。隨著我對幹細胞研究興趣的擴展,我也開始分析糖尿病患者腸道功能紊亂,以及幹細胞對其的作用。從此我走上了另外一條令人激動的「旅程」——我們發現了腸道幹細胞如何調控它們的命運,如何保持其功能,而IGFBP3 在調控腸道幹細胞方面的作用,也將是我未來幹細胞研究的一個大方向。
Paolo Fiorina
——論文「Circulating IGF-I and IGFBP3 Levels Control Human Colonic Stem CellFunction and Are Disrupted in Diabetic Enteropathy」通訊作者
我的一生都希望能幫助那些患有難以忍受糖尿病相關症狀的患者。
2000年初,我還在米蘭從事臨床工作,當時我發現我的一位患者出現了嚴重的腸道症狀,我意識到我們應該做些什麼。超過80%的長期患有I型糖尿病的患者都會出現讓人不舒服的胃腸道症狀,目前也沒有好的治療方法可用。我們最近的研究發現了糖尿病如何摧毀維持腸道健康的幹細胞,其中涉及一種稱為胰島素樣生長因子結合蛋白3 (IGFBP3) 的激素。
每個人都有IGFBP3,但有高血糖的人肝臟會產生更多的IGFBP3,而這擾亂了腸道幹細胞功能。如果體內激素幹擾了幹細胞微環境,那麼就要繞過細胞療法,通過改變激素水平來幫助微環境恢復。
我們很幸運,研發出了一種IGFBP3 受體 (TMEM219)的人工版,這種受體能中和IGFBP3 ,減輕臨床前模型中出現的症狀。我為我創造了這樣一個工具而感到自豪,而且這種方法也有可能重塑細胞治療的方式。我認為其它激素也存在相同的作用。
Jason Cheuk-Ho Tsang
——論文「Single Cell RNA-Sequencing of Pluripotent States Unlocks ModularTranscriptional Variation」作者
科學很有趣,幹細胞更是酷極了,它們會改變你和我的未來!
小鼠胚胎幹細胞的生物學特性總是令我著迷,你可以在單個細胞中培養出胚胎幹細胞,也可以修改它們的基因組,甚至還可以將它們變成一個活生生的小鼠。對於我們來說,這些幹細胞就是科研中我最愛的一部分,代表著靈感和無限可能。
這一次我有幸參與了一項單細胞基因組學研究項目,分析發現了參與幹細胞調控網絡的新基因,以及新的細胞亞群,可讓我們深入了解幹細胞多能性——成為幾乎所有不同類型細胞的能力。
這令我感到很興奮,就像是第一次用高解析度攝像頭拍出清晰照片一樣,現在你不僅可以判斷出那個模糊的物體是一隻栩栩如生的蝴蝶,而且還能在它的翅膀上識別各種獨特的模式,找到真正的美麗。
這可以獲得小鼠胚胎幹細胞成千上萬個基因表達這一非常動態的過程的快照,並由此推斷出許多信息。這有點像對著時代廣場上擁擠的人群拍攝照片,並根據所有人的年齡進行排序,以探究他們的生命周期,或通過穿衣風格對他們進行分組,來推斷他們接下來去哪裡。
單細胞RNA測序可幫助研究人員看到,是什麼使得我們身體裡所有的細胞會有不同的形狀,並預測它們會做什麼,並探索出許多促成它們命運的因素。在這項研究中,我們開發了新的方法來表徵,三種不同的狀態中幹細胞之間的基因表達水平是如何變化的。我們發現了參與幹細胞調控網絡的新基因,並利用CRISPR技術驗證了我們的研究結果。這使我們更接近於推斷整個網絡是如何被放在一起的,而這反過來又能讓我們深入了解,是什麼讓幹細胞處於一種基態,是什麼觸發它們改變。
對於我這樣的年輕幹細胞科學家來說,這真的是一個神奇的時代!
Karl Fernandes
——論文「Aberrant Lipid Metabolism in theForebrain Niche Suppresses Adult Neural Stem Cell Proliferation in an AnimalModel of Alzheimer’s Disease」通訊作者
最大的問題就是當幹細胞遇到大腦。
Masatoshi Ohgushi
——「Rho-Signaling-Directed YAP/TAZ Activity Underlies the Long-Term Survival andExpansion of Human Embryonic Stem Cells」 第一作者
非轉化細胞無法在體外無限生存,但是胚胎幹細胞可以。我想知道為什麼!
在我博士學習期間,我的工作就是利用各種腫瘤源性和原代培養細胞分析細胞死亡。這段學習經歷讓我了解到「細胞永生」是一種異常表型。的確,顯然細胞需要一種基因突變或基因操作才能繞過限制,在體外它們必須努力才能生存下來。
因此在之後轉到胚胎幹細胞研究,我就想知道它們是如何能在如此長的時間裡生存和生長的。從它們起源上來說,胚胎幹細胞一般被認為是一種非轉化細胞,但好像又具有轉換細胞的一些關鍵特徵。而且胚胎幹細胞又好像是可逆的,這種可塑性能永遠存在嗎?這些問題都激勵著我深入探索胚胎幹細胞,幸運的是我發現了YAP/TAZ ,這種因子依賴於Rho,有助於了解其分子機制。
Michael J. Ziller
——「Ground State Conditions Induce Rapid Reorganization of Core Pluripotency FactorBinding before Global Epigenetic Reprogramming 」第一作者之一
幹細胞能幫助我們了解單個基因組如何掌控整個細胞命運的奧秘。
對我來說,生物學中最令人著迷的現象就是單個基因組可以創造出如此龐大和紛雜的細胞狀態,影響細胞命運的改變。血清-2i開關就是研究細胞多能性基礎生物學的一個重要模型系統,通過這個系統,我們可以分析細胞命運的轉換。(加入兩種激酶Mek 和GSK3抑制子稱為「2i」條件)
通過這種開關培養短時間切換培養條件,就會出現一種新的細胞狀態,其特點是雙價基因 H3K27me3 丟失,和DNA甲基化損失,不過關鍵的多能因子在兩種狀態中都會出現。這種快速的化學定義的過渡,為研究細胞狀態動力學多維度提供了一個重要的平臺。
利用這一平臺,我們發現了這種複雜構成的一些奧秘,我們的研究人員有助於更好理解2i 基因調控網絡中不同表觀遺傳機制的作用,以及相互作用。但這其中還存在許多未知的問題,這令我著迷,我希望能最終建立細胞狀態建立,維持和定義過程中轉錄因子或表觀遺傳標記的每一個單獨改變的功能定義。