阅读次数：87 发布时间：2022/3/22 17:20:28
干细胞即为起源细胞，它是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的原始未分化细胞，是形成哺乳类动物的各组织器官的原始细胞。针对干细胞的命运调控，主要分为干细胞诱导分化、重编程和转分化。
一、干细胞诱导分化
在适当的培养条件下，干细胞能自行分化，然而自行分化难以形成单一独特的细胞类型，无法应用于实际治疗。因此，干细胞的体外扩增和分化一般要加入生长因子、信号分子等进行遗传调控。从干细胞即为起源细胞，它是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的原始未分化细胞，是形成哺乳类动物的各组织器官的原始细胞。针对干细胞的命运调控，主要分为干细胞诱导分化、重编程和转分化。
一、干细胞诱导分化
在适当的培养条件下，干细胞能自行分化，然而自行分化难以形成单一独特的细胞类型，无法应用于实际治疗。因此，干细胞的体外扩增和分化一般要加入生长因子、信号分子等进行遗传调控。从机理方面来看，多 能干细胞定向高 效率地分化到特定细胞需要选择性激活或抑制发育方面的信号通路。
随着后基因组时代的到来，化学遗传学(chemicalgenetics) 作为一门新兴交叉科学应运而生，其利用大量的小分子化合物去研究基因和蛋白质的功能。小分子可以用于鉴定哪一条信号通路是分化必需的，也是一种控制细胞分化的有效工具，而且在很多情况下可以取代更加昂贵的生长因子。
Ding等[1]对10000个已知活性小分子进行高通量筛选，得到一个具有诱导鼠畸胎瘤细胞和胚胎干细胞定向分化为神经元的小分子，命名为TWS119，进一步研究证实GSK-3β为其作用的一个靶点。Wnt信号通路是参与胚胎及器官发育的主要四大类信号传导途径，GSK-3β和β-Catenin在通路中起激活与关闭作用。
Su-Yi Tsai等[2]利用小鼠胚胎干细胞报告细胞系对5000多种小分子化合物进行了高通量筛选，发现一种小分子化合物硝普酸钠能够有效增强ESC向心脏传导细胞的分化效率，研究人员还对其中的机制进行了进一步探究，发现硝普酸钠是通过激活cAMP信号途径发促进ESC向心脏传导细胞分化。
硝普钠促进心脏传导细胞的生成
二、重编程
从受精卵成长为成熟生命体的过程被称为发育，也称编程。发育过程中，分化潜能逐渐降低，直至丧失。胚胎干细胞具有内细胞团的自我更新和多 能性两大特征，而终末分化的成体细胞命运已被决定，不再具有成为其他类型细胞的能力。将终末分化的成体细胞重新逆转为具有多 能性，甚至全能性的细胞，这种方法被称为体细胞重编程或简称为重编程（reprogramming）。
自2006年 次报道创造出诱导多 能干细胞(iPS)以来，研究人员一直在致 力于相关研究，希望不通过加入有可能增加危险突变或癌症风险的基因，就可以将成体组织细胞重编程为像胚胎干细胞一样的细胞。以往，他们曾设法利用小分子化合物来减少所需的基因数量，但总是无法避开一个基因：Oct4。
2013年7月，邓宏魁实验室为了寻找Oct4基因的化学替代物对10000个小分子进行了筛查，终使用7个小分子化合物VPA、CHIR99021、616452（Repsox）、Tranylcypromine（Parnate）、Forskolin、DZNep和TTNPB组合，完成了小鼠体细胞重编程，这种由全化合物诱导得到的iPS，被称为化合物诱导性多 能干细胞（chemical induced pluripotent stem cell），简称CiPS[3]。
化学重编程原理示意图
2021年3月2日，邓宏魁团队在Cell Discovery 杂志发表了题为“In vivo chemical reprogramming of astrocytes into neurons”的研究论文。研究团队在之的基础上，进一步开发了一种新的小分子组合： DBcAMP、 Forskolin、 ISX9、 CHIR99021、 I -BET151 和 Y -27632 （DFICBY） 能够更高 效地实现体内化学重编程，可以将成年小鼠大脑中的星形胶质细胞重编程为具有突触连通性的神经元，称为化学诱导的神经元[4]。
三、转分化
诱导多 能干细胞（iPSC）绕开了胚胎干细胞研究一直面临的伦理和法律等诸多障碍，在医疗域的应用景良好；而近年来发展起来的转分化技术可以帮助我们直接实现功能细胞间的转化，避免多 能干细胞相关的一些安全性问题，其应用景也非常广阔。
将一种类型的终末分化细胞通过基因选择性表达（或基因的重编程）使其在结构和功能上转变成另一种分化细胞，而不经过多 能性细胞阶段，这种方法被称为转分化（trans-differentiation），也称谱系重编程（lineage reprogramming）。
上海药物所谢欣课题组一直致 力于小分子化合物诱导体细胞重编程及转分化的研究。2015年报道了课题组使用CHIR99021、616452（Repsox）、Forskolin、VPA、Tranylcypromine（Parnate）和TTNPB六个小分子的化学鸡尾酒组合（CRFVPT），成功在体外实现了小鼠胚胎和尾尖成纤维细胞向心肌细胞的转分化[5]。这些化学诱导获得的心肌样细胞（CiCMs）可以自动有节律收缩，表达心肌特异性的基因，并拥有心肌类似的电生理特征。随后基于体内心脏部位的微环境可能有助于 CiCM 产生及存活这一假设，谢欣课题组大胆地将在体外能够诱导 CiCM 产生的小分子组合 CRFVPTM（C, CHIR99021；R, RepSox； F, Forskolin； V, VPA； P, Parnate；T, TTNPB； M, Rolipram）给予小鼠，并通过谱系追踪实验发现小分子组合可以将心脏部位的成纤维细胞诱导成为 CiCM[6]。
总结
小分子在调节细胞命运方面可发挥重要作用，不但可以调节特定的靶标信号，且与基因调控相比具有明显的优势：
1.小分子的效应是迅速且可逆的，可以通过改变它们的浓度及联合运用不同种类的小分子对蛋白质功能进行准确的调节；可以随时加入或除去小分子化合物来启动或中断特定的作用。
2.合成化学由于其结构和功能的多样性赋予了小分子无限的潜力去准确控制分子间的识别和相互作用。越来越多影响干细胞命运的小分子的识别和筛选工作将会大大促进干细胞生物学和再生医学的发展。相对应地，培育出的细胞作为人类疾病的研究模型也将促进药物筛选和新药研发工作。
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References
【1】Kawazoe Y. [Synthetic small molecules that control stem cell fate].[J]. Tanpakushitsu Kakusan Koso Protei是 n Nucl是 eic Acid Enzyme, 2007, 52(13 Suppl):1800.
【2】Tsai S Y, Maass K, Lu J, et al. Efficient Generation of Cardiac Purkinje Cells from ESCs by Activating cAMP Signaling[J]. Stem Cell Reports, 2015, 4(6):1089-1102.
【3】Pluripotent Stem Cells Induced from Mouse Somatic Cells by Small-Molecule Compounds[J]. Science, 2013, 341(6146):651-654.
【4】Ma Y, Xie H, Du X, et al. In vivo chemical reprogramming of astrocytes into neurons[J]. Cell Discovery, 2021, 7(1):12.
【5】Fu Y, Huang C, Xu X, et al. Direct reprogramming of mouse fibroblasts into cardiomyocytes with chemical cocktails[J]. Cell Research, 2015, 25(009):1013-1024.
【6】Huang, C., Tu, W., Fu, Y. et al. Chemical-induced cardiac reprogramming in vivo. Cell Res 28, 686–689 (2018).原创作者：上海陶术生物科技有限公司
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