南加州大学的研究人员发现了如何对细胞进行重新编程,从而有可能开启新的治疗方法

南加州大学的科学家们已经克服了再生医学的一个巨大障碍,到目前为止,再生医学限制了利用再生细胞治疗疾病的能力。

研究人员发现了如何对细胞进行重新编程,使其能够比现有能力更可靠地转换身份。这项技术使用酶来解开重新编程的DNA,有点类似于理发师的头发缠结。在南加州大学干细胞中心的实验室里,这项技术对所有类型的细胞在小鼠和人类身上都有近乎完美的效果。

Justin Ichida Stem Cell

Justin Ichida的实验室正在干细胞研究领域进行开创性的工作。(照片/达蒙Casarez)

这些发现意义重大,因为它们扫清了一个障碍,帮助科学家找到治疗多种疾病的方法,尤其是神经功能障碍和听力丧失等疾病的方法。

“这是一个战略大大提高我们执行细胞重新编程的能力,这可以使失去了组织的再生和疾病的研究不能从生活患者活检,今天,”贾斯汀Ichida说,助理教授干细胞生物学和再生医学在南加州大学凯克医学院的。

这些发现发表在周四的《细胞干细胞》(Cell Stem Cell)上的一篇研究论文中,论文的题目是:“减轻转录和增殖之间的拮抗作用,允许近乎确定性的细胞重新编程。”Ichida是第一作者,凯克医学院的一组研究人员也参与其中。

南加州大学的研究人员是如何解开细胞重编程之谜的

细胞重编程作为一种疾病治疗具有巨大的潜力,因为它使科学家能够在受控条件下研究疾病进展的每个步骤中的细胞和分子过程,而到目前为止,这是不可能的。

重新编程包括把一个细胞变成另一种类型的细胞,比如把血细胞变成肌肉细胞或神经细胞。这对医学研究很重要,因为这项技术可以用来重建因疾病而失去的组织,也可以用来研究活体病人组织中无法进行活组织切片的疾病。

这项技术已经有几十年的历史了,但还没有发挥出它的潜力。据南加州大学的研究小组称,这是因为当DNA被操纵来改变自身时,其反应并不好。由于双螺旋结构,DNA分子本质上是扭曲的。重新编程DNA需要解开缠绕,然而当科学家们开始解开分子时,它们会紧紧地绑在一起。Ichida解释说,结果,核苷酸变得更加难以处理,细胞无法正常复制。目前的解缠技术仅在1%的时间内有效。

“把它想象成一根电话线,一开始是缠绕着的,当有东西想要伤害它的时候,就会有更多的线圈和结,”Ichida说。

为了消除这种扭曲,研究人员用一种化学和基因混合物来处理细胞,这种混合物能激活一种叫做拓扑异构酶的酶。这一过程的工作原理是利用酶打开DNA分子,释放螺旋状的张力,使其平稳放置。反过来,这将导致更有效的细胞重新编程,从而增加能够同时进行转录和增殖的细胞数量,而这是促进组织生长所必需的。它相当于DNA解链器,可以放松重新编程转录的紧张感,使实验室中更容易复制新的细胞菌落或组织。

在细胞水平上理解疾病

与现有的实践相比,该技术具有许多优点。例如,它几乎100%的工作时间。在人类和动物细胞中都得到了证实。今天,它可以在实验室中用于研究疾病发展和药物治疗。它对研究精神分裂症、帕金森氏症、肌萎缩性脊髓侧索硬化症和其他神经系统疾病具有直接的实用价值;在这些情况下,可以创建新的细胞来替换丢失的细胞或获取无法从人体提取的细胞。

此外,该技术不涉及干细胞;重新编程的细胞并不是全新的细胞,而是与母细胞年龄相同的细胞,这对于研究与年龄有关的疾病是有利的。重新编程的细胞可能更擅长在体外建立精确的人类疾病年龄模型,这对研究各种退化性疾病和加速衰老综合症很有用。

Ichida说:“关键是要了解疾病在细胞水平上的发展,以及疾病如何影响器官。”“这是你可以用干细胞做的事情,但在这种情况下,它跳过了干细胞的状态。这一点很重要,因为干细胞可以重置表观遗传学,生成新的年轻细胞,但这种方法可以让同龄的成年细胞更好地研究老年个体的疾病,这一点很重要,因为老年人患的疾病更多。”

再生医学的这一最新进展补充了最近的其他技术成果,包括基因编辑、组织工程和干细胞开发。它代表了再生医学的融合,使科学家们更接近于治疗许多疾病。对加快定向医疗和精准医疗具有实用价值。

Ichida说:“现代疾病研究和再生医学的方法是诱导细胞改变它们的特性。”“这被称为重新编程,它使疾病患者获得难以接近的组织类型进行检查,以及潜在的丢失组织的修复。然而,重新编程非常低效,限制了它的实用性。在这项研究中,we’ve发现了阻止细胞转换身份的障碍。原来是细胞内的DNA缠结在一起,在重新编程的过程中形成。通过激活解开DNA的酶,我们实现了接近100%的重新编程效率。”


这项研究的作者包括Ichida和第一作者Kimberley Babos和Kate Galloway(现在是麻省理工学院的助理教授),以及Keck医学院的Kassandra Kisler, Madison z, Yichen Li, Yingxiao Shi, Brooke Quintino, Robert Chow和Berislav Zlokovic。

该研究的资金来自加利福尼亚再生医学研究所的博士前培训拨款(TG2-01161);克氏国家研究服务奖博士后奖学金(5F32NS092417-03);国立卫生研究院助学金(R00NS077435、R01NS097850和5R01DC0155300);美国国防部拨款(W81XWH-15-1-0187);唐纳德·e·b和迪丽娅。巴克斯特基金会的拨款,阿尔茨海默氏病协会药物发现基金会和额颞叶退化,哈林顿发现研究所τ财团,佩普·亚当斯基金会弗里克ALS研究基金会,肌肉萎缩症协会的约翰·道格拉斯法国阿尔茨海默氏症基金会,叫法家族基金会,纽约干细胞基金会,南加州大学凯克医学院,南加州大学布罗德创新奖和南加州临床与转化科学。

Ichida是总部位于加州的精准医疗公司AcuraStem的联合创始人和所有者。南加州大学在AcuraStem也有经济利益。其他作者声明没有相互竞争的利益。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.usc.edu/160570/usc-researchers-cellular-reprogramming-dna-disease-treatments/

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