相濡以「膜」重塑多能——幹細胞命運中的細胞器重塑

知識 08-09

迄今為止，人類醫學的發展史大致經歷了原初的藥物治療，近代的外科手術治療，以及現代的再生醫學治療。目前，再生醫學面臨的最大難題便是如何通過生物學方法獲得適用於臨床移植的器官。如何完美地修復或者替代因疾病、意外事故或遺傳因素所造成的組織或者器官缺陷和損傷，一直是人類的夢想和難以攻克的世界性難題。

經過長期不懈的努力和研究，最終科學家將目光聚焦到了幹細胞上。幹細胞是一類具有無限的自我更新能力以及具有多分化潛能特性的細胞。所謂無限的更新能力，即幹細胞可以一直分裂並保持原本的未分化狀態，從而實現自我更新。同時，幹細胞具有分化為多種細胞的潛能，即在不同的培養條件下，可以分化成不同種類、具有不同功能的細胞，從而執行不同的生理功能。

誘導多能幹細胞及應用前景

科學家最初的關注熱點是胚胎幹細胞，它是來源於胚胎早期的幹細胞，具有分化成各種細胞類型的能力，即多能性。然而，要將胚胎幹細胞真正應用到臨床上面臨著兩大障礙。其一，分離胚胎幹細胞需要破壞胚胎，這面臨著巨大的倫理學爭議；其二，採用胚胎幹細胞進行移植很可能發生免疫排斥問題，容易對病人造成傷害甚至危及生命。

2006年，日本科學家山中伸彌教授在成體細胞中過表達轉錄因子，使這些成體細胞重編程到多能幹細胞狀態。這種人工產生的多能幹細胞被稱為誘導多能幹細胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）。

iPSCs 技術的出現近乎完美地解決了以前胚胎幹細胞研究所面臨的兩個難題：破壞胚胎所帶來的倫理學爭議以及異體移植所帶來的免疫排斥。理論上，我們可以從病人身上取得體細胞並使其重編程為 iPSCs ，隨後分化為病人移植所需要的任何組織或者器官。一旦該技術應用到臨床，我們便可以通過該技術針對特定疾病和不同個體制定不同的治療策略，真正做到「疾病定製」和「私人訂製」。

iPSCs 技術極大推動了再生醫學的發展，其具體機制在表觀遺傳等分子水平得到闡釋，然而，在亞細胞水平仍然知之甚少。在分子、亞細胞、細胞等多個層次闡明體細胞重編程為 iPSCs 的轉換機制，不但可以發現幹細胞命運轉換的基本機制，而且可以了解這一過程的所有細節並做到精準控制，步步為營，更加高效、快速、安全地獲得細胞，進行臨床應用。

幹細胞命運中細胞器重塑的亞細胞水平事件

最近，國際著名學術雜誌《自噬》（Autophagy）在線發表了中科院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國研究組的最新研究成果「BNIP3L-dependentMitophagy Accounts for Mitochondrial Clearance during Three Factors InducedSomatic Cell Reprogramming」。該研究在亞細胞水平上發現了多能性獲得中內涵體、自噬體、線粒體等細胞內膜系統膜轉運，實現細胞器組分重塑和功能變化。

「相濡以沫」，出自《莊子?大宗師》，指泉水幹了，魚之間吐沫互相潤濕。細胞由具有豐富膜結構的細胞器構成，而多能幹細胞在命運轉變中細胞器之間如何相濡以「膜」，一直不清楚。

哺乳動物細胞通過細胞器的空間區域化和功能特異化，使得不同的細胞活動高效有序地進行。細胞器是分布在細胞質內具有特定形態和功能的膜性微結構，如線粒體、內涵體、自噬體、溶酶體等，它們相互協調，在細胞的代謝變化、信號轉導、核質作用中發揮重要作用。細胞器既有精細分工，又能相互協作和密切接觸，完成一系列重要生理功能。

體細胞作為特化細胞，需要特化的細胞器來發揮其功能，例如，體細胞大量的能量需求通過有氧呼吸進行，需要數量豐富、內嵴成熟的線粒體；相反，多能幹細胞以細胞質的糖酵解為主，線粒體數目稀少，內嵴不成熟。至今，幹細胞命運轉變中細胞內膜系統的重塑，是一個尚不清楚的基本科學問題。

研究人員以 Yamanaka 三因子「SKO（Sox2,Klf4, Oct4）」誘導的體細胞重編程為模型，發現線粒體外膜受體 BNIP3L 在重編程的早期（第5-7天）發生瞬時的高表達，這一受體使線粒體被自噬體識別，吞噬，然後與溶酶體融合降解。這一過程不依賴於線粒體電勢的降低，即單個線粒體被降解的命運抉擇不依賴其功能良好或喪失，而依賴於外膜受體 BNIP3L 。進一步的研究表明，內涵體相關蛋白 RAB5 參與到了 SKO 重編程中線粒體發生自噬的膜結構 mitophagosome 的形成。