Cell重編程重大成果：高度同質iPS細胞

　　得益于Broad研究所Tarjei Mikkelsen領導的一個科學家小組的辛苦工作，現在在人類細胞中研究重編程過程變得更加容易和可靠。該研究小組設計出了一種改良的方法使得在實驗室中生成的人類誘導多能干(iPS)細胞變異性降低。

　　借助這一系統研究人員能夠高分辨率地觀測隨著體細胞重編程變為iPS細胞發生的過渡細胞及分子改變——而在這一新模型建立之前想開展此類研究非常的困難。它還使得大規模地研究不同的藥物或遺傳修飾對重編程的影響變得更為容易。這項重要的研究發布在7月16日的《細胞》（Cell）雜志上。

　　自從大約十年前首次報道以來，iPS細胞被廣泛用于開發藥物、研究細胞發育以及建立疾病模型，將來還有可能幫助培育出可用于移植的新組織或器官。然而直到現在人們仍未完全認識構建iPS細胞的過程。

　　iPS細胞是通過取得諸如皮膚細胞或肌肉細胞等確定的“分化”細胞，在培養皿中誘導它們變得行為上較像胚胎干細胞而生成。這些所謂的“重編程”細胞具有“多能性”，這意味著可以誘導它們變為許多不同的成體細胞類型。由于仍不清楚重編程過程中細胞內到底發生了什么，科學家們想要這一過程。但當前構建人類iPS細胞的模型只能生成不一致的、異質性培養物，使得難以比較不同實驗或實驗室之間的數據集。

　　Mikkelsen說：“每個實驗室看到的東西都略有不同。在如何處理細胞、如何培養它們，及細胞的來源等方面有很大的差異。對于哪些變量對生成高質量的iPS細胞或來自這些iPS細胞的組織至關重要，哪些則不然，我們仍不是很有把握。”

　　懷著改進重編程研究模型系統這一目的，Mikkelsen和同事們采用了一種一直以來用于延長其他細胞培養物生命的分子方法。通過過表達端粒酶編碼基因，他們希望能夠更好的分化細胞培養物，將它們可靠地轉化為iPS細胞。

　　研究人員一開始通過讓人類成纖維細胞表達4個“山中伸彌因子”編碼基因，讓它們變為了iPS細胞。隨后他們將一部分極好編程的細胞挑選出了，誘導它們再次分化為成纖維細胞。這些細胞之后便可以較高的效率再次進行重編程。這一稱作為“二次編程”的雙重重編程程序，可被廣泛利用來研究誘導多能性。通過挑選出第一階段成功重編程的細胞，研究人員更加有信心在第二階段時他們研究的是有能力重編程的細胞。在二次處理過程中，生成的培養物通常是克隆或遺傳完全抑制，這也降低了細胞間的變異。

　　然而，二次重編程有一個問題就是，隨著時間的推移在細胞老化過程中這些細胞會喪失它們的重編程能力。為了能夠將第一階段生成的體細胞用于大規模的重編程研究，Mikkelsen實驗室博士后研究人員Davide Cacchiarelli誘導二次體細胞過表達了端粒酶，由此阻止了細胞老化。通過延長培養時間，使得這些細胞能夠在發育上“趕上”彼此，生成更加同質、可靠的模型系統。

　　利用他們改進的模型系統，研究人員確定了重編程過程中發生的動態分子和表觀遺傳改變的特征。由于細胞間變異性減少，研究人員以前所未有的高分辨率觀察了人類細胞中的重編程過程。在他們的數據中他們看到了一些證據表明，隨著細胞重編程它們呈現出低發育細胞標志性的基因表達和表觀遺傳改變，甚至出現了一些植入前胚胎表達的標記物。由此支持了這一假說：重編程是發育過程的逆轉，細胞經過一個通常它們向前發育經歷的細胞軌跡向后退。研究小組還通過在重編程早期誘導成纖維細胞發育為肌細胞，繞過首先變為iPS細胞的階段縮短了這一過程——這被稱作為“轉分化”或“直接譜系轉換”。

　　Mikkelsen說，現在這種新方法為我們提供了一個模型系統，使得在細胞中研究重編程變得更加容易和可行。