小分子化合物重編程體細胞助力人類疾病研究
一直以來，已分化的體細胞被認定為細胞發(fā)育的最終階段，并且此過程是不可逆的。但是，隨著生物科學研究的深入，細胞重編程技術打破了傳統(tǒng)的思維。目前把已經(jīng)分化明確的細胞重新逆轉為具有多能性或全能性細胞的方式，稱為細胞重編程（somatic cell reprogramming）。細胞重編程技術在人類疾病研究工作中的應用如圖1所示。
圖1 細胞重編程技術在人類疾病研究中的應用（圖片來源于Nature Medicine）
取自患者的體細胞被重新編程為誘導多能干細胞（Induced pluripotent stem cells，iPSCs）后，在體外進行培養(yǎng)、基因改造并分化成特異性的不同組織的細胞。這些健康的細胞重新植入人體可以取代受損的器官或組織。另外，也可以用這些功能細胞建立疾病模型，用于新治療藥物的篩選和毒性測試。
目前，細胞重編程的方法主要包括細胞核移植、轉染特定的轉錄因子、細胞融合等[1]。其中，細胞核移植涉及倫理問題，轉錄因子容易引起基因突變且轉換效率低都限制了臨床應用。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)了可以替代轉錄因子的小分子化合物對細胞進行誘導，也可以使已經(jīng)分化的細胞逆轉為具有多能性的細胞。
圖2 小分子化合物在再生醫(yī)學領域的治療策略[2]
小分子化合物是指分子量小于1000Da（尤其小于500Da），具有生物學活性的化合物。小分子化合物可以自由進入細胞膜、容易合成、價格低廉、容易調控、生物可塑性好等優(yōu)點，故小分子化合物誘導重編程技術成為研究者們新的研究方向。目前已經(jīng)報道的小分子化合物在誘導細胞重編程方面的實驗研究如表1。
表1 小分子化合物在誘導多能干細胞領域的研究進展[3]
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類別 |
小分子化合物 |
作用 |
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HDAC抑制劑 |
丙戊酸(VPA); Butyrate |
VPA僅使用Oct4和Sox2就可以把人成纖維細胞重編程為iPSCs；可提高重編程效率50倍（三因子誘導）或100倍（四因子誘導）; |
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TGF-β受體抑制劑 |
RepSox(E-616452); A-83-01; SB-431542; LY-364947 |
RepSox 可替代 Sox2(s); |
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ROCK抑制劑 |
Y-27632; Thiazovivin |
Y-27632與Thiazovivin提局重編程效率，促進產(chǎn)生人iPSCs。 |
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cAMP激活劑 |
Forskolin;IBMX; Rolipram;8-Br-cAMP |
Forskolin是Oct4的化學替代物，IBMX；Rolipram；8-Br-cAMP；VPA合用可提高重編程效率。 |
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GSK3-P抑制劑 |
CHIR99021; BIO; Kenpaullone; I-BET151 |
CHIR99021維持干細胞多能狀態(tài)； |
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MAPK/ERK抑制劑 |
PD0325901 |
維持干細胞多能狀態(tài)。 |
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組蛋白甲基轉移酶 |
BIX-01294; AMI-5; DZNep |
BIX01294可代替Oct4與其他3個分子形成iPSCs； |
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組蛋白去甲基化酶抑制劑 |
Tranylcypromine |
顯著提高重編程效率。 |
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L-型鈣離子興奮劑 |
Bayk8644 |
與BIX-01294共同提高Oct4和Klf4對小鼠成纖維細胞的重編程效率，可彌補Sox2缺失帶來的影響。 |
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RA受體激動劑 |
AM580; TTNPB |
AM580、EPZ00477和SGC0946可促進細胞完成Somatic-XEN- CiPSC過程; |
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PKC抑制劑 |
G06983 |
與 Forskolin;Y-27632合用可將細胞特定的轉化為hciNs，顯著提高重編程效率。 |
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JNK抑制劑 |
SP600125 |
與 Forskolin;Y-27632合用可將細胞特定的轉化為hciNs，顯著提高重編程效率。 |
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BMP信號抑制劑 |
LDN-193189 |
與CHIR99021;PD0325901;SB-431542和Forskolin合用作用于人成纖維細胞直接轉化為褐色脂肪細胞。 |
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P53抑制劑 |
Pifithrin-α |
與CH1R99021;PD0325901;SB-431542和Forskolin合用作用于人成纖維細胞直接轉化為褐色脂肪細胞。 |
注：Oct4;Sox2;Klf4是成纖維細胞轉化為誘導多能干細胞所必須的轉錄因子。
小分子化合物重編程體細胞已經(jīng)實現(xiàn)，通過誘導可以獲得多能干細胞、神經(jīng)細胞、心肌樣細胞等，這些細胞為疾病的臨床治療帶來了曙光，但是小分子化合物重編程的效率還有待提高。此外，小分子化合物重編程的機制還需要進一步明確。還需尋找更多小分子組合誘導其他類型細胞重編程。相比傳統(tǒng)的基因操作方式，化合物誘導細胞重編程更加方便且安全，隨著未來研究的深入，這項技術將在再生醫(yī)學及相關領域中具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] ZARRABI, MORTEZA, AFZAL, et al. Manipulation of hema-ptooietic stem cell fate by small molecule compounds[J]. Stem Cells & Develop, 2018, 27 (5):184-187.
[2] XU Y, SHI Y, DING S. A chemical approach to stem-cell biology and regenerative medicine[J].Nature, 2008, 453(7193):338-344.
[3] 劉鑫洋, 秦杰琛. 小分子化合物在誘導多能干細胞領域的研究進展[J]. 中國生物制品學雜志, 2021(011):034.
