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清华药学院在《NATURE》发表诺奖级成果,首次诱导全能干细胞成功

发表时间:2022-06-23 22:47

生命的起点是一个细胞。无论是血液、大脑、和肝脏细胞都可以追溯回这个单细胞胚胎或受精卵。在自然界中,精子和卵子结合产生受精卵,然后分裂和分化并形成一个完整的有机体,这一过程是不可逆的。在小鼠等哺乳动物中,只有受精卵和二细胞胚胎具有真正的全能型,在此之后的细胞会迅速失去产生生命个体以及分化形成所有胚内和胚外细胞类型的能力。


在没有生殖细胞的情况下,是否以及如何在体外建立代表生命起点的全能干细胞(TotiSCs),从而找到除自然胚胎孕育之外的其他途径来创造或复原生命,一直是生命科学领域追求的一个目标。它吸引着代代科学家投入其中,相关的重大成果更是历次获得诺贝尔奖的青睐。清华大学药学院丁胜教授也一直在探究这一生命的终极问题的答案。


2022年6月21日,清华大学药学院丁胜教授团队在国际顶尖学术期刊Nature发表了题为:Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail 》的研究论文。


在这项研究中,丁胜团队发现了一种全新的药物组合——TTNPB、1-Azakenpaulllone、WS6,这三种小分子药物组合(TAW),可以将小鼠多能干细胞(PSCs)诱导成具备转变为完整有机体潜能的全能干细胞(TotiSCs),而且可以在实验室中保持这些诱导的细胞的全能型(胚内和胚外分化潜力)。研究团队将这类细胞命名为——ciTotiSCs(chemically induced totipotent stem cells,化学诱导的全能干细胞)。这些细胞在转录组、表观基因组和代谢组水平上类似于小鼠全能二细胞胚胎细胞。


这项研究提供了一个明确的化学药物组合,在体外定向诱导产生全能干细胞,从非生殖细胞中创造生命,这开启了一个全新的生命创造研究领域。

这一创新的替代路径——从更成熟的细胞,而不是利用生殖细胞(精子和卵子)获取生命最早的起始细胞,具有广泛的意义。这种以非自然方式创造生命起点的发现是生物学领域的一个“圣杯”。


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丁胜于1999年在美国加州理工学院获得化学学士学位,于2003年在斯克里普斯研究所获得化学博士学位。在2003年至2011年间在斯克里普斯研究所化学系任职助理教授、副教授。2011年在美国加州大学旧金山分校药物化学系任职冠名资深研究员及教授。2016年,清华大学成立药学院,丁胜任清华大学药学院首任院长。


早在2008年,丁胜就率先开展了使用化学小分子诱导多能干细胞的研究,他也是开发和应用全新化学手段研究干细胞和再生医学的引领者,一直致力于发现和鉴定可以调控细胞命运和功能的小分子化合物。


凭借20年对细胞命运的理解以及通过化合物调节干细胞的研究,丁胜带领团队选择并筛选了数千个小分子组合。通过多轮分析,他们发现并最终确定了三种小分子的组合——TTNPB、1-Azakenpaullone、WS6(TAW),可以将小鼠多能干细胞诱导成具有全能特性的细胞。研究团队称这种分子组合为TAW 鸡尾酒药物组合。


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研究团队将这类细胞命名为——ciTotiSCs(chemically induced totipotent stem cells,化学诱导的全能干细胞)
研究团队详细核实确认了诱导后的细胞,这些细胞在所有的转录组、表观组和代谢组水平上类似小鼠全能2C胚胎期细胞。
研究团队在体外测试了它们的分化潜力,ciTotiSCs表现出双向发育潜能,能够在体外和畸胎瘤中产生胚胎和胚胎外细胞。它们具备发育成胎儿和周围卵黄囊和胎盘的潜力,这是普通全能干细胞的典型特征,而多能细胞只能发育成胎儿。
研究团队还观察到由ciTotiSCs衍生的新生细胞也显示出全能特性。这表明ciTotiSCs在实验室环境中可以保持全能性,从而建立一个稳定的系统。

从mESC到ciTotiSC的化学定向诱导(OCT4绿色荧光标记的是多能干细胞,MERVL红色荧光标记的是全能干细胞)


从mESC到ciTotiSC的化学定向诱导(OCT4绿色荧光标记的是多能干细胞,MERVL红色荧光标记的是全能干细胞)


丁胜表示,这一系统非常重要,因为它将使许多关于生命起源的科学研究成为可能。科学家们可以使用该系统来操纵全能干细胞,以更好地了解生命开始时高度协调的过程。 从这个意义上来说,这篇论文迈出了探索生命起源的重要一步,为后续研究开辟了巨大的机遇。


此外,对全能干细胞的更深入的了解,具有深远的意义,为再次创造个体生命,甚至是加速物种进化创造了可能。


丁胜表示,这项研究带来的许多可能性都会引发争议,虽然这些可能性在遥远的未来才会发生,但很难预测将会带来什么社会伦理问题。在过去十年里,科学界并为放款对人类胚胎研究的限制,而在去年,国际干细胞研究学会(ISSCR)表示将放宽培养人类胚胎不能超过14天的限制,延长科学家培养人类胚胎的时间。


最后,丁胜表示,自己的团队高度重视伦理,但作为科学家,自己会专注于推动科学发现,为后来的研究者奠定基础,让他们将来拥有做出决策的知识和工具。


丁胜团队研究成果主要参与者合影


丁胜团队研究成果主要参与者合影


该团队称:这个以非自然方式创造生命起点的发现,是生物学领域的一个“圣杯”。

下一步,该团队肯定会从小鼠诱导全能干细胞研究转向对人类诱导全能干细胞的研究。如果届时能成功,那么意味着人类不需要生殖细胞就能繁育后代,这无疑又将是对人类伦理的一大挑战,那么未来的生殖会被改变吗?

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