Cell Stem Cell：邓宏魁综述化学重编程调控细胞命运的应用和未来前景

2023年8月24日，北京大学教授邓宏魁等应邀在Cell Stem Cell期刊发表鲁题为：Chemical Reprogramming for Cell Fate Manipulation: Methods, Applications, and Perspectives 的观点文章，综述了化学重编程技术的建立过程，总结了过去十年该技术在调控细胞命运和功能上的应用，展望了这一技术未来发展的前景。

多细胞生物个体发育的本质是多种细胞谱系建立的过程，细胞在这一过程中面临着一系列的命运调控。细胞命运调控的错误会导致产生状态、功能、类型异常的细胞，这也是多种重大疾病形成的重要原因。建立精准调控细胞命运的方法，是实现调控个体发育、生理、代谢和衰老等生命活动以及疾病治疗的基本途径。化学重编程技术，即通过化学小分子调控细胞命运，为细胞命运调控提供了精确、灵活、可控的手段，为治疗重大疾病和再生医学带来了新的可能。

长久以来，发育过程中细胞命运决定被认为是单向不可逆的，然而细胞重编程技术的建立打破了这一固有认知，并开启了干细胞和再生医学研究的新时代（图1）。上世纪60年代，英国发育生物学家John Gurdon通过“核移植”细胞重编程技术，即利用去核的卵母细胞将体细胞逆转到胚胎发育的初始状态，证明了发育过程的可逆性。2006年，日本科学家山中伸弥建立了诱导多能干细胞技术（iPS技术），采用转基因过表达转录因子的方法将体细胞重编程至类似胚胎干细胞的多能状态。这两项工作证明了细胞固有的内源物质（卵母细胞质和转录因子）可以逆转细胞命运，并于2012年获得诺贝尔生理学或医学奖。

然而，核移植和iPS技术采用细胞内源遗传物质进行重编程，该方法涉及复杂的生物学反应，其过程和效应难以控制，很难实现对细胞命运的精准调控。相比之下，化学小分子刺激（非遗传性外源物质），具有细胞膜穿透性强、有序调控性强、动态可逆、非基因组整合、操作简单等诸多优势。化学小分子组合可实现对多个靶点和信号通路的同时调控，易于开发精准调控细胞命运的新策略。由于生命的本质是化学过程，通过化学小分子调控细胞命运，理论上是最有效的方式。

图1：细胞命运重编程技术

2013年，北京大学邓宏魁团队在Science期刊发表了题为：Pluripotent stem cells induced from mouse somatic cells by small-molecule compounds 的论文 【2】 ，首次报道仅使用化学小分子将发育成熟的体细胞重编程到多能干细胞 （chemically induced pluripotent stem cell，CiPS细胞） ，建立了细胞命运调控的化学重编程技术，开辟了全新的细胞命运调控途径（图1）。

2022年，邓宏魁团队又率先在Nature期刊上报道了人体细胞化学重编程的工作【3】，成功地应用化学小分子诱导人的体细胞去分化，并获得人多能干细胞，为研究人体细胞命运调控和干细胞制备与转化提供了新范式。

与核移植和转录因子过表达调控的方法相比，化学重编程在精准调控细胞命运方面具有显著优势。首先，化学小分子可以通过组合的方式对多个靶点和通路同时调控，并且可以通过调整小分子的浓度和作用时间实现有序的精准细胞重编程。机制研究进一步表明，化学重编程是一个分阶段、有序调控的过程。在诱导人CiPS细胞的过程中，细胞首先被诱导至类似低等动物断肢再生（regeneration-like）的中间态，再被诱导至类胚外内胚层（XEN-like）的中间态，最终达到并稳定在多能状态（图2）。这一过程呈现出分步、逆向发育的特点，与低等动物再生过程相似：体细胞响应外源损伤信号刺激后去分化，产生介导组织再生的中间态细胞。因此，化学重编程是一种更近于自然过程的细胞命运调控方式。

图2：化学重编程诱导人多能干细胞

目前，化学小分子调控细胞命运已被广泛应用于干细胞与再生医学研究（图3）。利用化学小分子可以实现谱系重编程，在体外将成纤维细胞转分化为神经元、心肌细胞和肝脏细胞等。更重要的是，化学重编程可以在体内实现原位诱导星形胶质细胞转化为神经元，诱导成纤维细胞转化为心肌细胞等，为体内组织器官原位再生提供了新的手段。利用化学小分子可以捕获不同发育阶段的干细胞类型，建立了原始态（Naïve）多能干细胞、潜能拓展的多能干细胞（EPS）培养体系，并在体外建立全能干细胞方面取得了重要进展。此外，利用化学小分子还可以实现原代肝脏细胞、造血干细胞和肠道类器官等功能细胞在体外的长期维持。这些进展充分展现了化学小分子在精准调控细胞命运方面的优势。

图3：化学重编程在细胞命运调控方面的拓展应用

展望未来，化学重编程有望为实现组织器官再生和对抗衰老等重大问题提供新的解决方案。通过在小鼠玻璃体腔中注射化学小分子，初步实现了体内诱导视神经再生。此外，在体细胞重编程至多能性状态的过程中，衰老相关的表观遗传标记会被擦除。利用化学重编程可以将来自老年个体的体细胞重编程为多能干细胞，表明使用化学小分子逆转衰老相关的表观遗传标记的可能性。这些工作展现出化学重编程在促进再生和对抗衰老方面的潜力。未来结合多组学、深度学习和人工智能等新技术，将进一步加速化学重编程技术在精准调控细胞命运方面的应用，为解决机体再生和衰老等问题提供新的可能（图4）。

图4：化学重编程技术的未来发展方向

北京大学邓宏魁教授、昌平实验室孙仕成博士为该文章通讯作者，北京大学第三医院王金琳副研究员为该文章第一作者。该工作获得了国家自然科学基金基础科学中心项目“化学重编程调控细胞可塑性”的支持。

论文链接：

1. https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.08.001

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1239278

3. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04593-5

题图为文章通讯作者、北京大学邓宏魁教授