小分子化合物在細胞重編程中的應用
2006 年，日本科學家山中伸彌等人利用四個轉錄因子（Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc）將小鼠胚胎成纖維細胞（MEFs）和成體成纖維細胞重編程為誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）[1]，iPSCs 和胚胎多能干細胞（embryonic stem cells, ESCs）一樣，具有自我更新的能力，在體外可以長期擴增，并能夠分化為三個胚層的組織和細胞。這一研究成果使得重編程的研究工作如火如荼。
重編程（reprogramming )是指通過一定的手段使已經分化的細胞回復到具有分化能力的干細胞的狀態(tài)。根據(jù)所用方法的不同，重編程可以分為轉錄因子介導的重編程和非轉錄因子的重編程。非轉錄因子介導的重編程常用的方法為小分子化合物。
小分子化合物在重編程領域具有得天獨厚的優(yōu)勢。首先，小分子化合物避免了轉錄因子介導重編程常用到的病毒載體整合進基因組，不會破壞細胞基因組的結果，安全性較高；其次，大部分小分子化合物均能以滲透的方式進入細胞內發(fā)揮作用，省去了細胞轉染、病毒包裝、細胞感染等繁瑣步驟，且便于進行定量研究，可操作性強；此外，小分子化合物結構多樣、靶點清晰、價格低廉、易于獲得且可選擇性大；最后，小分子化合物價格相對低廉，可節(jié)省大量成本。
圖1.分化和重編程的影響機制
2011 年，中國科學家鄧宏魁等人發(fā)現(xiàn)，化合物組合（VPA, CHIR99021, 616452, Tranylcypromine）可以成功替代 YAMANAKA 四因子（OSKM）中的三個轉錄因子（Sox2/Klf4/c-Myc），與 Oct4 一起作用將小鼠成纖維細胞重編程為多能干細胞[2]。接下來，通過 10000 個化合物的篩選，鄧宏魁團隊又發(fā)現(xiàn)了可以代替 Oct4 的化合物組合。從而實現(xiàn)了純化合物組合（VPA, CHIR99021, Repsox, Forskolin, Tranylcypromine, DZNep）介導的重編程，該研究成果于 2013 年發(fā)表在 Science上[3]。之后，利用小分子化合物誘導體細胞重編程又取得了很多新的進展，見表1。此外，除了將體細胞重編程為 iPSCs 之外，科學家們還發(fā)現(xiàn)小分子化合物還可以成功將一種體細胞誘導轉化為另一種體細胞，該過程叫做轉分化。目前，僅用小分子化合物成功實現(xiàn)轉分化的報道主要集中在神經細胞、心肌細胞等領域 [8]。
表1.小分子化合物介導重編程研究進展
胚胎發(fā)育的過程涉及眾多基因的選擇性表達，多個信號通路的開關，而重編程則是反其道而行之。目前，很多信號通路都已經被研究得很透徹，小分子化合物可以通過靶向調節(jié)這些信號通路上的關鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對細胞命運的控制。此外，小分子化合物可以直接作為藥物進行臨床開發(fā)。小分子化合物在重編程領域具有較好的應用前景。
Reference
[1]Takahashi K, YamanakaS. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblastcultures by defined factors. Cell,2006,126(4):663-676.
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[3] Yukimasa T, Yoshinori H, Toshikazu Y, Ping D. Chemicalcompound-based direct reprogramming for future clinical applications. Biosci Rep. 2018 Jun29; 38(3): BSR20171650.
[4] Ye J, Ge J, Zhang X, et al. Pluripotent stem cells induced from mouse neural stem cells and small intestinal epithelial cells by small molecule compounds. Cell Research, 2015,26(1):34-45.
[5] Li D, Wang L, Hou J, et al. Optimized approaches for generation of integration-free iPSCs from human urine-derived cells with small molecules and autologous feeder. Stem Cell Reports, 2016,6(5):717-728.
[6] Xiaoping Han H Y. A molecular roadmap for induced multi-lineage trans- differentiation of fibroblasts by chemical combinations. Cell Research, 2017:1-16.
[7] Han X, Yu H, Huang D, et al. A molecular roadmap forinduced multi-lineage trans- differentiation of fibroblasts by chemicalcombinations. Cell Research, 2017:1-16.
[8] Yukimasa T, Yoshinori H, Toshikazu Y, et al.Chemical compound-based direct reprogramming for future clinical applications.Biosci Rep. 2018 Jun 29; 38(3): BSR20171650.
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