吴军等发现细胞竞争是阻碍跨物种嵌合体形成的壁垒之一

青山绿水

BioArt2021-01-29 23:46:34

责编 | 兮

在目前临床器官移植技术日趋成熟的情况下，全球性的供体器官短缺的问题日显突出。干细胞研究和克隆技术的一系列突破使人们对再生医学人造组织和器官的前景产生了许多期待。尤其是利用胚胎或多能干细胞在体外分化、发育成可供移植的供体器官或组织，被认为是一个方向。但干细胞要在体外正常分化、发育成完整的且功能复杂的实体器官，并能适合临床应用是非常困难的。为了解决移植器官来源严重不足的难题，早在2017年，现任职美国得克萨斯大学西南医学中心（UT Southwestern Medical Center）的吴军博士就发表了世界第一例人猪嵌合体胚胎的研究文章，该工作在伦理许可的实验条件下，第一次证明了科学家们能将人诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cell, iPSCs）注入猪植入前胚胎，培育出不同程度的人猪嵌合体胚胎，这项异种胚胎嵌合发育研究的创新性工作，是干细胞研究领域的一个里程碑【1】，但该研究也显示出人诱导多能干细胞在其他物种动物胚胎内嵌合难度大，总体嵌合比例较低，存在来自物种间的进化差异和发育壁垒影响异种嵌合体效率。

为了理解这种壁垒和解决人类多能干细胞嵌合率低下的问题，2021年1月28日，吴军博士联合中山大学附属第一医院、深圳华大生命科学研究院为主的科学家团队在Nature杂志上联合发表题为“Cell Competition Constitutes a Barrier for Interspecies Chimerism”的研究文章，首次报道发现细胞竞争是阻碍跨物种嵌合体形成的壁垒之一，且不同物种间干细胞在特定阶段普遍存在细胞竞争现象。

在该研究中，研究人员首先创新性地发现使用完全相同的培养条件，可以稳定培养多个物种的多能干细胞。有了这种统一的培养方法，研究人员首先尝试将人胚胎干细胞（H9 ESCs）和小鼠上胚层干细胞（mEpiSCs）进行了体外共培养，惊奇地发现这两个物种的始发态（Primed）干细胞有着不同的竞争力状态，来自小鼠的细胞在接触人类细胞时，可作为优胜者(“Winner”)，通过细胞竞争，诱发作为失败者(“loser”)的人类干细胞程序性死亡，但处于原始态（Naïve）的干细胞和分化后（differentiated）的细胞却没有这种现象。将始发态的人诱导多能干细胞（iPSCs）注入小鼠胚胎，观察到了与体外共培养实验共同的现象，即小鼠早期胚胎可以利用细胞竞争机制“杀死”外来的人类干细胞，从而导致人鼠嵌合胚胎的嵌合率低下。

图1人和小鼠始发态（Primed）干细胞竞争，导致人细胞的凋亡

进一步研究发现这种细胞竞争依赖于细胞间的接触以及细胞凋亡。通过分离出共培养的人H9细胞，进行RNA 测序，发现在共培养的第一天NF-κB信号通路明显处于激活状态。将NF-κB信号通路的关键因子MYD88或P65在人H9细胞中敲除，细胞竞争现象消失。基于此，研究人员通过抑制NF-κB信号通路在人iPSCs的激活，可以提高人鼠嵌合胚胎的嵌合率。为了确定自然界中其他物种干细胞间是否存在这种细胞竞争现象，研究人员选择了小鼠、大鼠、猕猴、人和牛的始发态（Primed）干细胞，同样发现处于该阶段的干细胞，不同物种之间存在不同水平的竞争力状态，大小鼠之间和人猴之间的干细胞竞争力相似，未发现明显的细胞竞争现象，但大小鼠（啮齿类）、人猴（灵长类）和牛始发态干细胞之间相对竞争力状态是不同的，这种竞争力状态的不同会导致细胞竞争的发生，表现在共培养体系中，竞争力强的Winner诱发loser凋亡，而且这种竞争力状态似乎跟物种间进化距离密切相关。

图2 不同物种间始发态（primed）干细胞有着不同的竞争力

据悉，该文章的共同第一作者为来自合作研究单位中山大学附属第一医院的郑灿镔博士、深圳华大生命科学研究院的胡莹莹博士和美国得克萨斯大学西南医学中心的Masahiro Sakurai博士。郑灿镔博士称：“这项研究发现了不同物种的干细胞在特定时期下存在不同竞争力状态，导致细胞竞争发生，并揭示了相关机制，丰富了细胞竞争理论学说，为深入理解异种嵌合发育的壁垒机制提供了新的思路。”

该文章的通讯作者为得克萨斯大学西南医学中心分子生物学系助理教授吴军博士，吴军博士团队一直从事和关注多能干细胞的基础和应用研究，已经发表多篇具有影响力的文章。吴军博士称：“尽管近些年在产生啮齿动物种间嵌合体方面取得了很多突破性的进展，但在进化距离更远的物种之间仍未实现稳固的嵌合。在种间嵌合体形成过程中，供体的细胞可能被视为异常的细胞而通过细胞竞争被消除。克服种间干细胞竞争可以提高供体多能干细胞在异种嵌合体里的嵌合率。”

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03273-0