前沿 | 西湖大学刘晓东教授研究成果再登Nature：通过“格式化”细胞记忆，获得超能iPSCs！

转自：药明康德（维权）

2006年，日本京都大学山中伸弥教授团队率先报道通过病毒转染的方法向小鼠皮肤细胞导入4个因子（OCT4、SOX2、KLF4和c-MYC），继而逆分化培养出一类具有胚胎干细胞（ESCs）特征的多能干细胞，即诱导多能干细胞（iPSCs）。iPSCs因具有ESCs的诸多特征，包括强大的体外扩增和分化能力，以及没有伦理限制、可以分化得到批次稳定的功能细胞等优点，在疾病建模、药物发现/筛选、细胞治疗等领域展现出强大应用潜力。

尽管人iPSCs和ESCs有相似之处，但通过传统细胞重编程过程得到的人iPSCs存在一个突出问题，即保留了其来源细胞类型的表观遗传记忆。这一记忆削弱了人iPSCs分化成其他细胞类型的潜力，最终限制了其在应用端的转化[1-3]。此外，人iPSCs在重编程过程中还会出现表观遗传畸变，影响其应用的安全性。如何清除表观遗传记忆和纠正表观遗传畸变，自2010年起就成为iPSCs领域研究的难点和热点。

▲人诱导多能干细胞（图片来源：Monash University）

现任职于西湖大学的刘晓东教授长期从事细胞重编程和表观遗传学研究，曾作为第一作者发表了多项有影响力的成果：首次揭示了人体细胞到iPSCs重编程过程中动态表观遗传调控变化[4]；进一步解决了iPSC重编程过程中的表观遗传修饰异常，获得了原始多能干细胞、滋养层干细胞等细胞[5-6]；并且首次构建了人源三维类囊胚结构[7]（入选Science杂志2021年度十大科学突破榜单）。

近日，刘晓东教授在Nature杂志联合发表了题为“Transient naive reprogramming corrects hiPS cells functionally and epigenetically”的研究论文[8]。西澳大学Ryan Lister教授与莫纳什大学Jose M. Polo教授为论文共同通讯作者。研究人员通过绘制重编程过程中各个细胞阶段发生的动态表观遗传变化，揭示了重编程过程中表观遗传差异发生的时间点，即表观遗传畸变在启动重编程（primed reprogramming）的中途出现，而DNA去甲基化在初始重编程（naive reprogramming）的早期就开始了。

基于上述发现，研究人员开发了一种创新性重编程策略，即TNT（transient-naive-treatment）重编程。这一技术模拟了人胚胎发育早期细胞的表观遗传重置。他们发现，人iPSCs细胞的表观遗传记忆集中在由H3K9me3、lamin-B1和异常CpH甲基化标记的来源依赖性抑制染色质中。TNT重编程将这些结构域重置为类似ESCs的状态，并且不会破坏基因组印迹。

此外，他们还证明TNT重编程可以纠正传统人iPSCs中的转座子过表达和差异基因表达，并且获得的人iPSCs和ESCs表现出相似的分化效率。此外，TNT重编程增强了来自多种细胞类型的iPSCs的分化。因此，TNT重编程纠正了表观遗传记忆和畸变，产生了比传统人iPSCs在分子和功能上更接近于ESCs的人iPSCs。研究团队预见TNT重编程或将成为生物医学和治疗应用的新标准，并为研究表观遗传记忆提供一个新的系统。

▲TNT重编程能够避免表观遗传畸变，消除表观遗传记忆（图片来源：参考文献[8]）

据刘晓东教授介绍，由TNT重编程获得的超能iPSCs在细胞治疗、药物发现/筛选、疾病建模等方面将带来更加优越的应用前景：

1. 一个iPSCs细胞系可适用于所有应用。因为这些超能iPSCs能够分化为任何细胞类型，所以不需要筛选多个iPSCs细胞系来产生特定的细胞类型。

2. 更安全的产品。稳定的表观遗传修饰让这类超能iPSCs具有更好的基因组稳定性，不容易发生基因突变。细胞克隆间的同质性也简化了下游的分析工作。

3. 更好的批量产出。这些超能iPSCs可以纳入现有的工艺和生产流程。更重要的是，超能iPSCs更高的分化效率和同质性，能够简化工艺流程，提升细胞治疗药物的功能。

刘晓东教授等科学家的连续发现和成果推动了iPSCs技术向应用端的转化，衷心希望它们能够早日应用于临床治疗，造福广大患者。

参考文献：

[1] Kim, K. et al. Epigenetic memory in induced pluripotent stem cells. Nature 467, 285–290 (2010)

[2] Polo, J. M. et al. Cell type of origin influences the molecular and functional properties of mouse induced pluripotent stem cells. Nat. Biotechnol. 28, 848–855 (2010)

[3] Lister, R. et al. Hotspots of aberrant epigenomic reprogramming in human induced pluripotent stem cells. Nature 471, 68–73 (2011)

[4] Liu X et al. Comprehensive characterization of distinct states of human naïve pluripotency generated by reprogramming. Nature Methods 14, 1055–1062 (2017)

[5] Liu, X et al. Reprogramming roadmap reveals route to human induced trophoblast stem cells. Nature 586:101-107 (2020)[6] Tan JP, Liu X, Polo JM. Establishment of human induced trophoblast stem cells via reprogramming of fibroblasts. Nature Protocols 17:2739-2759 (2022)

[7] Liu X et al. Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids. Nature 591:627-632 (2021)

[8] Buckberry, S., Liu, X. et al. Transient naive reprogramming corrects hiPS cells functionally and epigenetically. Nature (2023)

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