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Cell Stem Cell:利用CRISPR修饰表观基因组产生诱导性多能干细胞

来源:本站原创 2018-01-31 19:16

2018年1月31日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学、格拉斯通研究所和中国清华大学的研究人员报道,一种能够激活而不是切割DNA的CRISPR形式能够将胚胎小鼠细胞转化为诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell, ipsC)。相关研究结果于2018年1月18日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“CRISPR-Based Chromatin Remodeling of the Endogenous Oct4 or Sox2 Locus Enables Reprogramming to Pluripotency”。
小鼠胚胎成纤维细胞,图片来自Bozonhiggsa/Wikimedia。

美国纽约基因组研究所生物工程师Neville Sanjana(未参与这项研究)写道,“这篇论文证明了CRISPR效应分子不仅能够激活单个基因,而且完全重塑细胞的转录状态。”

为了产生iPSC,科学家们过表达4种转录因子:Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc。但是,在这项新的研究中,这些研究人员利用一种表观遗传CRISPR技术激活仅一种转录因子---Sox2或者Oct4---的一个内源性基因拷贝,就将小鼠胚胎成纤维细胞转换为ipsC。

加州大学旧金山分校干细胞生物学家Sheng Ding和同事们使用了一种之前已发布的人工转录因子系统,该系统由一种经过修饰的没有核酸酶活性的Cas9(dCas9)和蛋白结合结构域组成。当与向导RNA(gRNA)结合在一起时,dCas9靶向一个特定的基因组位点,并且招募一种经过修饰结合到这些特定结构域(即蛋白结合结构域)上的转录激活蛋白(transcriptional activator protein),因此也必需将这种转录激活蛋白导入到这些细胞中。这些研究人员通过转染这种人工转录因子系统和18种gRNA(靶向与这4种传统的转录因子和另外3种其他的多能性转录因子相关的一系列增强子和启动子位点)到小鼠胚胎成纤维细胞中,成功地产生了ipsC。

Ding说,“我们最初的想法是内源性地同时激活这些基因。随后,我们问道,这种方法存在的限制是什么。如果我们仅激活一个基因或者说单个位点,那么这就足够了吗?”

为了解答这个问题,Ding团队每次逐个地移除gRNA。他们发现仅靶向Sox2的启动子或Oct4的增强子和启动子足以将小鼠胚胎成纤维细胞转化为iPSC。他们还证实利用招募一种经过修饰的组蛋白乙酰转移酶的dCas9激活Oct4也能够导致小鼠胚胎成纤维细胞转化为iPSC。这两个发现表明操纵小鼠胚胎成纤维细胞的表观基因组就能够导致ipsC产生。

起初,Ding认为在一个位点激活单个基因来重编程细胞是不可能的,但是如今,他的团队已针对它的工作方式提出了一个假设。他解释道,“基因组并不是以线性的方式进行组装。在三维结构下,许多[基因组]位点实际上是连接在一起的。因此,如果考虑这种三维结构,就能够想象激活单个位点可能会让它附近的很多位置也受到影响。”

这些研究人员计划研究基因组相互作用可能在细胞重编程中发挥的作用。而且他们希望改进这种技术,以便利用它在体内重编程细胞,和产生不同的细胞类型用于细胞疗法中。

美国乔治亚理工学院生物工程师James Dahlman(未参与这项研究)说,“在实际情形下,[细胞]受到自然微环境中的所有这些其他的信号通路的影响。如果你要开始使用相同的细胞类型,并让它产生多能性,然后让它再分化,从而获得某种其他的你想要的细胞类型,那么这种方法是否有用呢?我猜测答案是肯定的,但是存在的所有这些变化都是你必须理解和考虑的。”

加州大学伯克利分校细胞生物学家Dirk Hockemeyer(没有参与这项研究)同意这一点,并解释道,仍不清楚这个方法是否能够应用于其他的应用上,比如将成纤维细胞转化为心脏细胞。他说,“我们开发的工具越多越好。也许只有少数工具最终会在临床中使用,但要知道这些工具是哪些是非常困难的,因此我们需要给予每种方法一个公平的机会。这是一个非常非常有前景的方法。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Peng Liu, Meng Chen, Yanxia Liu et al. CRISPR-Based Chromatin Remodeling of the Endogenous Oct4 or Sox2 Locus Enables Reprogramming to Pluripotency. Cell Stem Cell, Available online 18 January 2018, doi:10.1016/j.stem.2017.12.001

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