小鼠体细胞向多能性神经前体细胞和成熟多巴胺能神经元的直接转分化

摘要

目前在全世界范围内，神经退行性疾病已经成为影响人类健康的最主要的疾病之一。以帕金森氏症为例，全世界65岁以上人口中有约1％的人长期受其困扰。帕金森氏症最主要的病理特征之一是病人中脑黑质区多巴胺能神经元的退行性死亡。由于其损伤部位相对集中，而且神经系统的再生能力又十分有限，因而使得细胞移植治疗成为当前治疗帕金森氏症的最有效手段之一。理想的治疗帕金森氏症的细胞资源需要同时具备几个主要特征：培养方便，可以在体外大量增殖，并且能够分化得到中脑多巴胺能神经元，同时又具备较低的致瘤风险。然而到目前为止，无论是胚胎干细胞或体细胞来源的诱导型多能性干细胞，还是由体细胞直接转化而来的成熟神经元，都无法同时满足这些要求。
　　 本研究旨在通过两条途径将不同类型的小鼠体细胞转变为成熟的多巴胺能神经元：一条途径是利用外源因子先将体细胞重编程成为具有多能性和自我更新能力的神经前体细胞，再将其分化为成熟的多巴胺能神经元：而另一种方法是通过外源因子的导入，将体细胞直接诱导为成熟的多巴胺能神经元。主要研究结果如下：
　　 (1)小鼠睾丸支持细胞是来源于中胚层的终末分化细胞，具有分离纯度高，培养方法简单等优势，因此是研究不同谱系的细胞之间细胞命运直接转化的良好模型。通过导入一组在正常神经细胞中具有重要功能的外源转录因子(Ascl1、Brn2、Ngn2、Hes1、Id1、Pax6、Sox2、c-Myc以及Klf4)，睾丸支持细胞可以被直接重编程成为具有多能性和自我更新能力的神经前体细胞。睾丸支持细胞来源的诱导型神经前体细胞可以表达多种正常神经干细胞的特异性蛋白，在全基因组转录水平上也与正常神经干细胞十分相似，并且可以在体外分化为星形胶质细胞、少突胶质细胞以及具有成熟的细胞膜电生理性质的神经元，这其中包括多巴胺能、γ-氨基丁酸能以及乙酰胆碱能等不同类型的神经元。与此同时，睾丸支持细胞来源的诱导型神经前体细胞可以在移植到成体大脑以后，在体内正常地存活、分化，并可以与周围的其它神经元建立功能性的突触连接。
　　 (2)来源于成体的表皮成纤维细胞具有来源广、分离方法简单等特点，因此被认为是临床治疗中重要的供体细胞来源。我们将相同的一组外源因子导入到新生小鼠的尾尖成纤维细胞中后，也成功地得到了具有多能性和自我更新能力的神经前体细胞。这些尾尖成纤维细胞来源的诱导型神经前体细胞，与正常的神经干细胞以及睾丸支持细胞来源的诱导型神经前体细胞具有十分相似的性质，并且可以分化为成熟的具有中脑特性的多巴胺能神经元。
　　 (3)在小鼠胎儿成纤维细胞中导入Ascl1和Brn2两种外源转录因子，就可以将其直接诱导为成熟的神经元，再结合一些在中脑多巴胺能神经元发育、分化和成熟过程中具有重要调控作用的转录因子，如Nurr1、Lmx1b和Otx2或者Foxa2和Lmx1a等，就可以进一步将成纤维细胞直接诱导为成熟的具有中脑特性的多巴胺能神经元。
　　 由中胚层来源的体细胞向外胚层来源的神经前体细胞以及成熟多巴胺能神经元的直接转分化，不仅为未来的再生医学研究与应用提供了全新的技术手段和细胞资源，更重要的是它更加全面和充分的证实了来自于不同胚层的，处于不同的发育和分化阶段的细胞之间，可以不经过多能性状态而实现细胞命运的直接转化。