《細胞》子刊：別讓幹細胞吃脂類！研究發現，只要不在培養基中添加脂類，就可以得到狀態原始，分化靈活的多能幹細胞 | 科學大發現

有一句心靈雞湯叫做「年輕就是資本，年輕就有一切可能。」說實話，奇點糕一看到這句話，就會想起幹細胞，尤其是多能幹細胞。它們之所以能冠上一個「多能」的頭銜，就是因為可以向各種方向分化，產生體內所有類型的細胞，可以說是「胞」生贏家了。

多能幹細胞（PSC）主要分為兩類：一是胚胎幹細胞（ESC），二是誘導性多能幹細胞（iPSC）。前者是天然的多能幹細胞，後者則是「人造的」。

不過多能性本身很複雜，科學家們把它們分成兩種類型：原始態（naive）和始發態（primed）[1]，它們的區別就像是在「賭（不是敏感詞吧？）石」的時候，一塊尚未被開發的原石和已經去掉了石頭但開出來的玉還沒有被雕琢加工的區別。

小鼠的ESC就屬於原始態，而人的ESC是始發態。原始態在發育鏈上處於更早期的位置，它們分化的靈活性大，分化為特定細胞和組織的偏向性小，相比始發態來說更容易被「操控」，研究人員指哪兒，它們就打哪兒。

那麼問題來了：如何讓人的多能幹細胞（hPSC）儘可能保持在原始態？答案其實很簡單：別給它們吃脂類！

這就是紀念斯隆·凱特琳癌症中心研究人員的最新發現了，他們發表在《細胞·幹細胞》雜誌上的研究證明，將hPSC在其他條件正常，但不含有脂類的培養基中培養，就可以讓它們從始發態向原始態靠攏[2]！

研究第一作者Daniela Cornacchia（左）和通訊作者Lorenz Studer（右）（圖片來源：mskcc.org）

為什麼奇點糕會覺得這個研究這麼重要呢？是因為多能幹細胞的作用實在很多。首先，就是治療疾病，代替我們體內死掉的、失去功能的細胞或組織，甚至是器官，比如說幹細胞治療帕金森、1型糖尿病和幹細胞體外培養出的肝、腎等。

再者，如果從患者那裡獲得它們，由此培養出的組織攜帶相關疾病的異常基因，就可以部分替代早期動物實驗，成為研究疾病如何產生和發展的工具，以及對藥物的毒性和療效進行初步的篩選，有時能比動物模型更貼近真正的疾病狀態。

研究人員的研究開始於一個意外的發現，在實驗室里，E8（Essential 8）培養基上的hPSC與其他成分相同但富含脂類的培養基上的hPSC相比，更容易向神經外胚層（在脊椎動物早期胚胎中存在，可發育為神經元和膠質細胞）分化。

通過排查，他們確定，是hPSC的維持多能性的培養條件決定了它們更容易向神經外胚層分化，而不是促進分化的培養條件決定的。

另外研究人員還發現，這些hPSC向中胚層和內胚層分化的潛能變弱，一部分標誌物的表達也變低了，這些變化都是在小鼠PSC和原始態的hPSC中發現過的[3,4]。據此，研究人員猜測，這些在E8培養基上生存的hPSC是不是也是原始態的呢？

他們從細胞特徵和標誌物表達方面進行了分析，發現E8 hPSC更小，細胞間更緊湊，圓頂狀形態更明顯，而且它們的增殖速度更快，自我更新能力更強。從標誌物方面來看，干細胞多能性的核心標誌物蛋白OCT4和NANOG的水平在E8 hPSC中明顯高出許多，尤其是NANOG，和原始態的PSC水平相當[5]。

除了它們兩個，其他一些在原始態PSC中高表達的標誌物，如ESRRB、KLF4和TFE3的表達也明顯增加，而其他對多能性起負向調節作用的標誌物的表達則相應減少。

不但如此，從能量代謝和表觀基因組的特徵上來看，E8 hPSC也是和原始態PSC比較接近的。

接下來，研究人員探索了E8培養基究竟是施了什麼法術才讓hPCS接近原始態的。

他們的實驗表明，第一個法術是脂類的代謝與合成，E8 hPSC的細胞內幾乎沒有脂類儲存，而普通hPSC內則有大量的脂滴。同時，響應外源脂肪酸（脂類的一種代謝產物）減少的，控制細胞內源脂類合成的基因被大量激活。（所以這是「不要你們外來的，我們自己內部產生的就夠了」的意思？你們PSC還挺傲嬌的……）

第二個法術則是TGF-β和FGF-MAPK-ERK信號通路的抑制，使用ERK抑製劑，可以起到和不在培養基中添加脂類同樣的效果。

當然了，這兩個法術都是在沒有脂類添加的情況才可以見效的，一旦在E8培養基中添加了脂質，法術就失效了，這些hPSC就又成為了始發態的PSC。

E8 hPSC與普通培養基上培養的hPSC的分子特徵的不同

這次的發現讓研究人員非常興奮，畢竟E8培養基其實已經應用的很廣泛，不是什麼新鮮玩意兒了。研究的第一作者Daniela Cornacchia博士表示，這為大家提供了一個誘導hPSC接近原始態的特別簡單的方法，以前雖然也能做到，但都是通過重編程脂類的方法，又難以操控又不夠安全[6]。

他們接下來準備把「脂類」這個範圍縮小，看看到底是哪些特定的脂類在調節多能性狀態中起主導作用。另一方面，他們也想研究一下脂類水平是如何影響早期胚胎的。

「這麼簡單的一個操作居然有如此深遠的影響，這說明我們在研究這種複雜的細胞狀態的時候不知道落下了多少東西。」 Cornacchia博士如是說[6]。

編輯神叨叨

Cornacchia博士說得好有道理，其實也不止多能幹細胞的研究是這樣吧~

參考資料：

[1] Boroviak T, Loos R, Lombard P, et al. Lineage-specific profiling delineates the emergence and progression of naive pluripotency in mammalian embryogenesis[J]. Developmental cell, 2015, 35(3): 366-382.

[2] Cornacchia D, Zhang C, Zimmer B, et al. Lipid Deprivation Induces a Stable, Naive-to-Primed Intermediate State of Pluripotency in Human PSCs[J]. Cell stem cell, 2019.

[3] Marks H, Kalkan T, Menafra R, et al. The transcriptional and epigenomic foundations of ground state pluripotency[J]. Cell, 2012, 149(3): 590-604.

[4] Kisa F, Shiozawa S, Oda K, et al. Naive-like ESRRB+ iPSCs with the Capacity for Rapid Neural Differentiation[J]. Stem cell reports, 2017, 9(6): 1825-1838.

[5] Mu?oz Descalzo S, Rué P, Garcia‐Ojalvo J, et al. Correlations between the levels of oct4 and nanog as a signature for naive pluripotency in mouse embryonic stem cells[J]. Stem cells, 2012, 30(12): 2683-2691.

[6] https://www.mskcc.org/blog/stem-cells-stay-young-fat-free-diet

封面圖片來源：mskcc.org

本文作者 | 應雨妍

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