“金剛狼”、“蜘蛛俠”，這些好萊塢大片里的超級英雄家喻戶曉。但在現(xiàn)實生活中，通過基因編輯技術(shù)改造生殖細胞，打造出這些遺傳增強的“超級人類”被倫理所禁止。而在倫理許可的干細胞中，中國科學(xué)家通過基因編輯技術(shù)，首次人工改造出遺傳增強的“超級”干細胞。這類干細胞或?qū)⒃谥委熑祟惣膊≈姓宫F(xiàn)身手。

　　7月7日，《細胞研究》(Cell Research)期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所劉光慧課題組、北京大學(xué)湯富酬課題組和中科院動物研究所曲靜課題組的聯(lián)合研究成果，首次將基因編輯技術(shù)用于干細胞的遺傳增強，從而宣布了國際上第一例遺傳增強人類干細胞(Genetically Enhanced Stem cells，GES細胞)的誕生。

　　眾所周知，干細胞是一類具有自我復(fù)制能力的細胞，在一定條件下可以分化成多種功能細胞。那這種新型干細胞又是什么?

　　在接受澎湃新聞采訪時，劉光慧介紹說：“ 遺傳 意味著干細胞的遺傳密碼被改變了，我們利用基因編輯技術(shù)改寫了人類基因組中的單個堿基。這種基因組上的改變在干細胞分裂的過程中，能夠穩(wěn)定地傳遞給子細胞。”而“增強”指的是，經(jīng)過這一微小的遺傳密碼置換，干細胞會“老”得更慢，可以在患者體內(nèi)存活更長時間，產(chǎn)生更好的再生治療效果。此外，這種干細胞還能抵抗癌基因的侵擾，從而降低轉(zhuǎn)化為癌細胞的風(fēng)險。正是因為同時獲得了對細胞衰老和癌變的抵抗能力，這種干細胞被稱為“遺傳增強”的干細胞。

　　中國科學(xué)院動物研究所干細胞與生殖生物學(xué)國家重點實驗室研究員李偉沒有參與這項研究，他向澎湃新聞點評道：“這一發(fā)現(xiàn)對間充質(zhì)干細胞的臨床轉(zhuǎn)化治療具有重要的價值，同時也很好地證實了利用基因編輯技術(shù)可以促進干細胞在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，為干細胞研究提供了值得借鑒的新方法。”

　　“四兩撥千斤”的核心：轉(zhuǎn)錄因子“NRF2”

　　據(jù)悉，這種“超級”干細胞是為了解決目前干細胞治療中的兩大難題——治療有效性和安全性。劉光慧團隊及其合作者通過基因編輯技術(shù)，僅改變?nèi)祟惢蚪M中的一個堿基，“四兩撥千斤”地破解這兩個難題。

　　而這個“四兩撥千斤”的關(guān)鍵改動是圍繞著名為“NRF2”的轉(zhuǎn)錄因子展開。

　　轉(zhuǎn)錄因子，顧名思義，是指一種可以協(xié)助遺傳物質(zhì)DNA向RNA轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。在劉光慧與合作者的工作中，他們以藥物篩選的方式，試圖找到與干細胞衰老有關(guān)的關(guān)鍵因子。這一過程中，他們發(fā)現(xiàn)，篩選出來能延緩人類間充質(zhì)干細胞衰老的化合物有一個共同特點——都能激活NRF2這個抗氧化的轉(zhuǎn)錄因子。

　　由此，劉光慧團隊猜測，在基因?qū)用嬖鰪奛RF2的活性或許能夠延緩人類干細胞的衰老。

　　怎樣做最小改動來增強NRF2呢?

　　在之前的研究中，研究人員已經(jīng)知道，細胞里有名曰“KEAP1”的NRF2抑制蛋白，會通過結(jié)合并降解NRF2，使其無法發(fā)揮功能。與此同時，研究人員也已經(jīng)知曉，在NRF2與其抑制蛋白接觸的表面上，有一個氨基酸很關(guān)鍵，負責(zé)將NRF2捆綁在抑制蛋白上。

　　那么，如果這個關(guān)鍵的氨基酸被替換掉，NRF2是不是就能脫離抑制蛋白的束縛，更好地發(fā)揮功能，保護細胞了?

　　“一石二鳥”

　　于是，為了證明這一猜想，在人類胚胎干細胞中，劉光慧團隊使用第三代腺病毒載體HDAdV介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)，置換了NRF2編碼基因的一個堿基(A245G)。置換后，NRF2果然得以掙脫抑制蛋白的“控制”，大量進入細胞核，激活一系列抗氧化和細胞保護基因的表達，使得干細胞有了更長的“壽命”。

　　隨后，劉光慧團隊及其合作者測試了這種經(jīng)過人工改造的干細胞在體內(nèi)的移植效果。值得一提的是，在干細胞治療中，胚胎干細胞因為會形成良性的畸胎瘤而無法被直接使用，由胚胎干細胞定向誘導(dǎo)分化而成的間充質(zhì)干細胞是更佳的治療材料。

　　研究人員從液氮罐中取出干細胞。

　　因此，劉光慧團隊從上述改造過的人類胚胎干細胞中分化獲得間充質(zhì)干細胞，并在小鼠身上進行實驗。實驗中，小鼠腿部的大血管被結(jié)扎，出現(xiàn)缺血性損傷。于是，實驗人員向小鼠腿部注入干細胞，幫助小鼠的傷腿再生出新的血管細胞，重新構(gòu)建血管系統(tǒng)。結(jié)果顯示，相比于沒有經(jīng)過基因編輯的干細胞，經(jīng)過遺傳增強的間充質(zhì)干細胞能更顯著地恢復(fù)傷腿的血液循環(huán)，具有更好的再生治療能力。

　　遺傳增強人間充質(zhì)干細胞在小鼠缺血后肢中再生的血管結(jié)構(gòu)。劉光慧 供圖

　　效果不錯，但有沒有安全隱患?這是研究人員無法繞過的科學(xué)問題。

　　緊接著，劉光慧團隊及其合作者進行了安全性評估。令他們驚訝的是，經(jīng)過基因編輯的間充質(zhì)干細胞雖然具有更強的自我更新能力，但植入小鼠體內(nèi)后不會形成腫瘤。就算在許多癌基因同時激活的情況下，它也保持著高度的基因組穩(wěn)定性，對癌基因誘導(dǎo)的細胞惡性轉(zhuǎn)化具有很強的“抵抗力”。

　　更沒想到的是，對于胚胎干細胞會出現(xiàn)畸胎瘤這一問題，他們發(fā)現(xiàn)，比起普通的胚胎干細胞，經(jīng)過基因編輯的胚胎干細胞產(chǎn)生畸胎瘤的能力大大被削弱，進一步在治療“安全性”上增加了籌碼。

　　總而言之，通過僅僅置換NRF2編碼基因的一個堿基，干細胞既獲得了更強的再生修復(fù)能力，又在很大程度上減少了安全隱患，可謂“一石二鳥”。

　　遺傳增強的策略可標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、個性化

　　這類遺傳增強的“超級”干細胞具有可標(biāo)準(zhǔn)化和可規(guī)模化的優(yōu)勢，未來或可適用于多種治療場景。目前，研究人員已經(jīng)就這項技術(shù)申請了發(fā)明專利。

　　但劉光慧也對澎湃新聞謹慎表示，他們猜想，這類細胞的使用應(yīng)該是有限制的。目前他們已經(jīng)證明這一遺傳增強策略在人類間充質(zhì)干細胞和血管內(nèi)皮細胞上適用，但尚未在所有細胞類型中檢測它的有效性和安全性。例如，神經(jīng)干細胞的自我更新需要活性氧，而抗氧化轉(zhuǎn)錄因子NRF2增強后，神經(jīng)干細胞會不會受益?這尚是一個問號。

　　“我們身體中的任何一種細胞類型，理論上都有它們喜愛的獨特的內(nèi)外環(huán)境。”劉光慧說，類似神經(jīng)干細胞的遺傳增強策略可另做個性化設(shè)計。

　　中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院營養(yǎng)科學(xué)研究所研究員丁秋蓉未參與該項研究，她對澎湃新聞表示，劉光慧及其合作者提出的對干細胞進行“遺傳增強”的策略具有很廣泛的應(yīng)用前景。

　　“(這)可廣泛用于再生醫(yī)學(xué)，加強對干細胞移植物的調(diào)控，使其更好地和組織工程等技術(shù)融合，在體外細胞大規(guī)模制備、類器官功能模塊構(gòu)建，體內(nèi)定向分化、移植入類器官血管化和神經(jīng)化進程、機體微環(huán)境改善和組織修復(fù)等過程中更具導(dǎo)向性和可控性，促進其臨床轉(zhuǎn)化。”丁秋蓉說。

　　“當(dāng)然，遺傳密碼的改變需要很慎重，需要在基于對修改后細胞特性充分認識，體內(nèi)安全性充分評價的基礎(chǔ)上進行。”丁秋蓉補充說。