作者：《国家科学评论》罗佗平
来源：中国科学杂志社
时间：2024-08-19
北京大学邓宏魁教授丨图源：中国科学杂志社
导读：
8月16日，2024年未来科学大奖名单发布，北京大学博雅讲席教授、昌平实验室领衔研究员邓宏魁获得生命科学奖。邓宏魁被认为是干细胞领域的化学魔法师，开创性地完全使用化学小分子的方法将体细胞重编成为多能干细胞，改变细胞命运和状态。 那么，化学小分子重塑细胞命运是什么?有何特点和优势？特转载《国家科学评论》杂志在两年前对邓宏魁的专访，以帮助理解化学小分子编程细胞命运领域的进展、前景以及邓宏魁在其中的贡献。
原文标题：NSR专访邓宏魁：让细胞“返老还童”的小分子策略
罗佗平（北京大学化学与分子工程学院研究员）| 撰文中国科学杂志社 | 来源
60年前，Gurdon课题组发现细胞分化过程是可逆的[1]，为细胞重编程奠定了理论基础。15年前，Yamanaka课题组首次报道通过表达四种转录因子（生物大分子）可以将体细胞重编程为“诱导多潜能干细胞”(iPS)[2]。9年前，北京大学邓宏魁课题组首次报道了通过小分子组合诱导小鼠体细胞重编程为多潜能干细胞的方法，这种化学重编程的效率可达到0.2%[3]。经过长期的坚持和努力，邓宏魁课题组于2022年报道，通过分步策略诱导，可以将人成体细胞重编程为多潜能性干细胞，将细胞重编程的应用推向了新的发展阶段[4]。与此同时，化学重编程在诱导细胞命运转分化研究也取得令人瞩目的进展。邓宏魁课题组：证明小分子可以将成年小鼠大脑中的星形胶质细胞重编程为神经元，为开发神经元替代疗法提供了潜在的手段[5]；通过将人多潜能干细胞定向分化为肝细胞，构建了一种生物人工肝装置[6]；建立了一种从人CiPSCs高效分化产生胰岛细胞的方法，并且证明使用这些胰岛细胞能缓解非人灵长类动物的糖尿病症状[7]。CiPSCs在细胞治疗、药物筛选、疾病模型方面具有巨大的应用潜力，同时也是再生医学领域最为关键的“种子细胞”。作为细胞命运的重要调节剂，天然产物小分子及其衍生物在邓宏魁的研究工作中发挥了重要作用。针对相关研究领域的亮点及发展前景，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）采访了邓宏魁教授。NSR：据我们了解，您博士和博士后工作期间主要做病毒学和免疫学相关研究。那您加入北京大学开展独立研究之后，为什么很快将研究方向转变到再生医学领域呢？邓宏魁：在完成博士后的工作后，我见证了干细胞和再生医学领域的两个重大突破。第一个突破是1997年多利羊的诞生，那是人类使用体细胞核移植的技术首次克隆了哺乳动物，它证明成熟分化状态的细胞可以被逆转回原始发育状态，同时上述原始发育状态细胞还具有产生一个新个体的能力。这项激动人心的工作表明，在不久的将来，人类细胞也可能通过细胞重编程进行调控，这将加深我们对人类细胞命运调控的理解，并有可能开发新的基于细胞的治疗方法。另一个突破是1998年人胚胎干细胞系的建立。根据我们对小鼠胚胎干细胞的研究了解，胚胎干细胞具有多能性，它能分化成体内任意已知的细胞类型。我当时认为，如何将人胚胎干细胞转变为不同类型的功能性细胞是一个有趣的问题，如果能解决这个问题，它将为我们研究人类生物学以及开发细胞疗法掀起一场革命。上述两个开创性的研究也标志着再生医学的发展到了新的阶段。在我到北京大学建立自己的实验室后，我们团队开始探索如何培养人多潜能干细胞，我们是最早将人多潜能干细胞转化成胰腺和肝细胞谱系的团队之一，这些分化获得的细胞正在被应用于细胞治疗和大动物模型的测试中。另一方面，我们对发展新的重编程策略很感兴趣，我们也第一次证实了完全使用化学小分子就能将成熟体细胞重编程为多潜能干细胞。目前化学重编程的方法已广为人知，同时全世界不同的研究团队正在对其进行更加深入的研究。NSR：在博士后研究中，您发现CCR5受体是HIV感染细胞的主要辅助受体，这为开发抑制 HIV-1进入细胞的小分子药物（例如 Maraviroc）奠定了基础。您的课题组最近与合作者一起报道了首例由CCR5编辑的干细胞治疗 HIV 患者的病例。您如何看待 iPSCs在治疗艾滋病中的潜力？邓宏魁：如何治疗由HIV病毒感染导致的艾滋病，是一个长期巨大的挑战。1996年，在Dan Littman实验室工作期间，我和同事一起发现了CCR5是HIV感染人体的主要辅助受体。在这项发现之后，CCR5成为开发抗HIV病毒的靶点。“柏林患者”是验证CCR5作为HIV辅助受体的最好例子之一，这位患者移植的造血干细胞存在自然发生的CCR5突变，该突变阻止了HIV对免疫细胞的感染，使得HIV病毒无法在病人体内被检测到。因此，我们认为可以通过基因编辑来创建CCR5缺失的造血干细胞，从而治疗HIV感染。经过在大量动物模型中的尝试后，我们开发了一种临床治疗手段，用与人类白细胞抗原匹配的CCR5缺失的造血干细胞治疗一名被诊断患有白血病和HIV感染的患者。我们发现携带敲除CCR5的造血干细胞在移植后至少存在了19个月，说明CRISPR编辑的造血干细胞具有长期植入性和安全性，所以我们认为这种策略有希望在未来治愈HIV。然而，结合其他关于造血干细胞/基因编辑疗法的研究表明，造血干细胞的编辑效率仍然非常低，这也导致所需的功能性免疫和血细胞的生产效率较低。上述问题可以通过更容易进行基因编辑的iPSC解决。例如，我们可以构建CCR5缺失的iPSC细胞系，并将这些细胞转化成造血干细胞以供移植使用。基因编辑的iPSC有巨大应用前景，然而iPSC和基因编辑联合疗法仍处于开发阶段，因此对该疗法的安全性和有效性尚未有确定的结论之前，不应该将其直接应用于临床治疗中。NSR：过去20年中，再生医学领域的关键进展有哪些？邓宏魁：过去20年中的几个重要突破显著推动了再生医学的发展。首先，在重编程研究中，除了50年代建立的体细胞核移植技术外，还有两种主要的重编程技术。2006年，Shiya Yamanaka团队开发了一种基于转录因子的重编程策略。该策略推动了对细胞命运转变调控的研究，包括从体细胞产生多潜能干细胞（hiPSC）和跨发育谱系的转分化研究。2013年，我们团队开发了一种化学重编程策略，通过小分子而非卵母细胞或转录因子等生物手段来实现细胞命运调控。这些新技术代表研究细胞生物学的基础方法的进步，为开发基于细胞的再生疗法奠定了基础。第二点，过去10年，多潜能干细胞的定向分化对疾病模型、药物发现及细胞治疗方面有重要意义。通过定向分化，我们已经能生产大量高纯度功能性细胞用于开发细胞替代疗法，并构建复杂的类器官系统来研究人类发育和疾病。第三点，干细胞研究与基因编辑工具的结合。通过基因编辑技术，我们能编辑干细胞并使其呈现特定的功能或表型。正如我之前提到过的，我们对CCR5修饰的造血干细胞移植的“概念验证研究”就是一个很好的例子。事实上，这种技术结合为我们研究细胞行为和开发基于细胞的新疗法提供了更多思路。NSR：在您看来，干细胞应用过程中还有哪些尚未解决的问题？邓宏魁：关于干细胞的临床应用，我认为最重要的问题是有效性和安全性，这也是干细胞移植面临的重大挑战。从多能性干细胞中获得功能成熟的、与体内相似的对应细胞仍非易事。然而这是iPS来源的细胞应用的基础。除细胞功能问题之外，另一个难点是如何消除由多潜能干细胞的基因完整性和致癌潜力引起的安全问题。最近，基于转录因子方法来源的hiPSC细胞进行的大规模全基因组分析表明，高比例的hiPSC细胞具有癌症驱动基因相关突变。我们知道，对于化学重编程体系，由于化学小分子不与基因组整合，并且重编程的过程高度可控，从而可以用更灵活和更精准的方式调节细胞命运而无需进行基因操纵。因此，有希望通过小分子调控获得最安全的多潜能干细胞和其他细胞谱系，从而推动再生医学领域的发展。此外，借助生物医学工程技术，我们设计了一种通过外部装置为病人提供治疗方案的生物人工系统。与传统方法相比，该法不需要将细胞置入病人体内，而是通过干细胞衍生的肝细胞制备一种类似透析的装置，该装置能清除血液毒素治疗肝脏疾病。上述生物人工肝装置能缓解肝功能衰竭，并延长肝移植前的肝工作时间。这种将iPSC衍生物与病人物理分离的外置装备能解决部分安全问题，因为可以通过移除外置装置来解决使用过程中可能出现的意外情况。NSR：您认为未来在多能干细胞尤其是CiPSC细胞的临床应用中，还有哪些关键问题需要突破？邓宏魁：除了之前提到的获得功能性分化的细胞和消除安全隐患问题之外，建立能大规模生产终端细胞产品的平台也很重要。此外，以GMP水平制备现货型的细胞产品，用于多潜能干细胞的临床应用也更具吸引力和经济效益。CiPSC在细胞生产制造方面有内在优势，当前的问题是我们如何将这些优势落地。比如，与其它诱导体系不同，生产CiPSC不需要研究者有丰富的重编程经验，也不需要检测外源遗传元件，这大大节省了临床应用的时间。为此，我们还需要通过建立更高效、更优化的重编程系统，从而加速临床级CiPSC细胞的生产。这就要求我们进一步研究人类化学重编程背后的机制，同时也能为发明更高效的化学重编程系统提供新的靶点。NSR：作为一个生物学家，您特别关注并坚持使用小分子而不是转录因子或细胞因子等生物分子来研究细胞命运的调控，这是为什么呢？邓宏魁：化学反应是包括发育和重编程在内的几乎所有生物事件的本质。在体内，细胞接受环境中的外部信号，从而引导改变它们的细胞命运、身份和功能。此外，在低等动物中，外部刺激能引发细胞去分化从而实现受伤后再生。上述所有现象表明外部刺激对细胞而言是一种更自然的重编程机制。然而，在人类的细胞中，通过外部刺激诱导细胞重编程一直非常具有挑战，因为此时外部刺激无法重启细胞可塑性，也无法调控细胞命运。这是因为在进化过程中，细胞内产生了稳固的表观遗传状态，这使得人体细胞可塑性降低，从而能保护细胞发挥特定功能。一旦我们攻克了上述难题，基于外部刺激的细胞重编程或许能对人类细胞命运进行有效调控，这也将为发展高度可控和灵活的重编程治疗策略奠定基础。小分子有许多优点，它们不与基因组整合，可控性强，容易进行结构优化、可标准化且易得，所以通过小分子提供外部刺激的化学重编程是调控细胞命运的可行策略。更重要的是，为了有效地调控细胞命运，需要协同调节多种信号和靶点。传统基于转录因子的重编程策略在协同调节的灵活度和作用时间方面都受到限制，而小分子协同作用在时间和空间上具有更高的灵活度，也能更简单地进行细胞命运调控。因此，从高度可控性和易于标准化流程的角度来说，化学重编程是理想的开发治疗性重编程策略。NSR：在CiPSCs研究过程中，最激动人心的时刻是什么？邓宏魁：2013年，我们的概念验证研究表明，使用小分子处理即可将小鼠体细胞诱导到多潜能状态。当首次完全确认小鼠细胞重编程的结果时，我们意识到这将是一个伟大的时刻，这将开启细胞重编程研究的新篇章。我们第一次可以在不使用关键生物材料（如卵母细胞和转录因子）的情况下对细胞进行重编程，这为细胞重编程提供了全新的途径。将成熟体细胞简单地暴露于含有四种小分子的化学鸡尾酒中，就能使其转变成多潜能干细胞。在那一刻，我们认为调控细胞进行基础研究和开发新的基于细胞的干预措施将发展到一个新的阶段。另一个令人印象深刻的发现是我们在化学重编程过程中发现人体细胞中激活的再生基因网络。在蝾螈等低等动物中，细胞具有强大的再生潜力，可在组织损伤后激活再生相关基因。相比之下，人类的再生潜力由于进化影响受到其特殊细胞身份和功能的高度限制。有趣的是，我们发现在人类体细胞转化为hCiPS细胞的过程中，产生了类似于芽基状态的细胞，而芽基细胞是一种在蝾螈肢体再生中瞬时形成的祖细胞。上述结果表明，化学重编程体系不仅是能产生多潜能干细胞全新平台，也有希望用于调节人类组织器官的再生。随着将小分子转化为药物范式的建立，这种化学方法也将应用于开发人类再生的药理学策略。NSR：从首次在小鼠上实现CiPSC诱导到在人类体细胞上实现CiPSC诱导，您课题组大概经过了9年的探索时间，在这个过程中遇到的关键性困难有哪些？您的团队是如何克服这些困难的？邓宏魁：一直以来，通过化学重编程在人类体细胞中获得多能干细胞就是整个领域中的研究难点。我们和其他研究化学重编程的同事们认为，人类体细胞具有保守的表观基因组，并且由于进化降低了其细胞可塑性，因此它们对能推动表观基因组重编程的小分子刺激具有较强的抵抗力。为了解决上述问题，我们深入研究了大量自然界中的重编程系统，其中低等动物的去分化过程给了我们很大的启发。比如在蝾螈中，受损的体细胞能对外部信号做出反应，使得细胞去分化并启动可塑态。在这种可塑态下，染色质结构相对开放且可及性较高，这对诱导新的细胞命运来说至关重要。基于上述假设，我们在重编程早期成功的诱导了再生基因计划中的中间可塑态，这也是后续诱导CiPSCs的关键步骤。NSR：鉴于小分子有多种不同的来源，您是如何在重编程过程中寻找和选择小分子的？邓宏魁：就化学重编程而言，基于表型和功能的筛选能识别在特定生物过程中发挥作用的小分子。虽然高通量筛选是鉴定强效化合物的重要方法，但我们不能没有重点地盲目筛选。在每一轮的筛选试验后，我们都会进行机理研究，以便我们制定下一轮的筛选计划。比如，我们持续检测关键的信号通路、细胞增殖和死亡通路以及表观遗传因子的变化，同时结合过去文献中的关键线索，这为我们选择合适的小分子库提供了线索。除此之外，由于小分子在重编程中经常调节多个靶点，我们还通过拆分或重组不同的小分子组合来研究单个小分子的作用，这是寻找促进不同重编程阶段的小分子的重要策略。NSR：天然产物，也就是源自植物、细菌、真菌、昆虫、高等动物等各种天然来源的化合物，在促进CiPSC的产生或其他重编程过程中有什么作用？邓宏魁：我们发现天然产物在化学重编程过程中非常重要。比如，Oct4是多能性基因调控网络中的核心转录因子，其激活是诱导CiPSC最重要的一步。然而，由于OCT4在体细胞内受到严格的抑制，激活内源性OCT4的表达非常困难。我们发现腺苷酸环化酶的激动剂——毛喉素（一种由植物鞘蕊花产生的拉丹二萜），对细胞内源性OCT4激活至关重要。此外，单独使用毛喉素能在KLF4和SOX2的组合下代替OCT4和c-MYC诱导iPSC产生，这个天然产物是我们目前用于细胞重编程中最有效的小分子之一，发挥了不可替代的作用。NSR：与制药公司发明的类药小分子相比，天然产物的独特性是什么？邓宏魁：与合成化合物相比，天然产物最重要的特性之一是经历了长期的进化和自然选择。这种独特性使天然产物有卓越的结构多样性，因此它们能覆盖比合成化合物更广的生物相关化学空间。此外，天然产物有更高的立体化学复杂性，这增强了其调节困难靶点的潜能。据报道，超过30%的FDA批准的小分子药物是天然产物及其衍生物。不仅如此，天然产物还有作为转运系统底物的优势，它们能通过选择性地分布到细胞内作用位点来表现特定生物活性。NSR：除已报道的小分子外，还有哪些小分子可能推动CiPSC领域的发展？邓宏魁：通过机理研究，我们已经鉴别了很多对细胞重编程有重要调控作用的靶点，比如转录因子或能调控表观遗传事件的酶。然而，仍然缺乏能有效调控这些靶点的小分子。近年来，人工智能系统的发展，比如能从氨基酸序列中预测蛋白3D结构的AlphaFold系统等，都为筛选和鉴定重编程所需的小分子提供了更多机会。NSR：在下一个十年的研究中，您还有其他特别感兴趣的领域吗？邓宏魁：衰老研究是我很感兴趣的一个领域，衰老相关问题和开发针对多种衰老相关疾病的新疗法非常重要。最近，我们和合作团队共同开发了一种基于增加溶酶体β-半乳糖苷酶活性选择性地清除衰老细胞的前药策略，这为开发抗衰老干预措施提供了新思路。此外，我对细胞全能性和全能干细胞的体外衍生相关研究也感兴趣。解决上述两个问题能帮助我们理解一个基本生物学问题——生命的起源。如果我们能在体外构建全能性干细胞，那将为胚胎发育提供一个良好的模型，也将为动物克隆提供新的方法。此外，全能性干细胞对全生物体基因组编辑和建立所需细胞谱系来说也是理想实验材料。最近，我们报道了一种可在体外维持功能稳定的全能样干细胞的方法，这项研究为体外获得全能性干细胞开启了一扇新的大门。
邓宏魁：我建议青年研究员关注他们研究领域中最重要的问题。如果我能和过去的自己对话，我会告诉自己保持积极、坚持和热情。解决一个棘手的科学问题有助于保持研究的热情和动力，但这个过程本身很具挑战性。对青年研究员来说，坚持和勇气对克服基础研究中可能面临的挑战是最重要的。我也建议他们通过不断地建立广泛的知识体系来为多学科交叉研究和合作做好准备。而且在研究过程中，学术交流非常重要，研究员们需要与其他领域的专家沟通交流，找到潜在的合作机会。同时，这也为他们提供了交流技术、研究方法、科学问题以及从不同角度思考和解决问题的机会。我建议青年研究员们养成学术交流的习惯，这样他们能从其他领域中寻求不同背景专家的意见。A small-molecule approach towards the Fountain of Youth: chemically induced pluripotent stem cells (CiPSCs)https://doi.org/10.1093/nsr/nwac181中文版于2022年12月24日发表于“中国科学杂志社”微信公众号。[1]Gurdon JB J Hered 1962; 53: 5?9[2]Takahashi K, Tanabe K and Ohnuki, M et al. Cell 2007; 131: 861?72.[3]Hou P, Li Y and Zhang X et al. Science 2013; 341: 651?4.[4]Guan J, Wang G and Wang J et al. Nature 2022; 605: 325?31.[5]Ma Y, Xie H and Du X et al., Cell Discov 2021; 7: 1?13.[6]Chen S, Wang J and Ren H et al. Cell Res 2020; 30: 95?7.[7]Du Y, Liang Z and Wang S et al. Nat Med 2022; 28: 272?82.
原文链接：NSR专访邓宏魁：让细胞“返老还童”的小分子策略
