干細胞分化來源的神經(jīng)元可作為轉(zhuǎn)化神經(jīng)學(xué)的工具

◎ 2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者 托馬斯.C.蘇霍夫 美國斯坦福大學(xué)教授

在中國，人們都希望能夠不斷地發(fā)展和推動科學(xué)的進步，尤其是推動中國的科學(xué)能夠到達一個國際化的標(biāo)準。我本人作為一個科學(xué)家有這種使命，我也希望能夠看到我們所進行的這些研究能夠給人們帶來實實在在的福利。今天，我要做的就是和大家來分享一下我在干細胞技術(shù)方面的一些最基本的研究和方法，希望能夠把這些科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為具體的成果并帶給人民。下面要分享的是干細胞分化來源的神經(jīng)元作為轉(zhuǎn)化神經(jīng)學(xué)的工具在治療疾病方面的一些比較細節(jié)性的科學(xué)知識，希望大家可以從中獲得一些益處。

目前，許多疾病仍然給人類的生存帶來諸多的挑戰(zhàn)。有時候不知道這些人類疾病根本性的問題，人們?yōu)槭裁磿∫约叭藗兩〉臅r候需要科學(xué)以及這些基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)的進步來治療這些疾病。對此，可能有一些基礎(chǔ)科學(xué)的知識是非常有用的，因為我們希望大家能夠了解人類的肌體為什么會生病以及我們能夠如何更好更加科學(xué)的治療這些疾病。

我和我的團隊目前所開發(fā)的干細胞技術(shù)，是跟賽爾集團及莫里森教授團隊進行合作的。我們?nèi)绾卫眠@些最新前沿的技術(shù)，更好地利用人類肌體以及基于人類基因，更好地研究人類為什么患自閉癥等疾病。之前研究表明，患者接受IPS誘導(dǎo)全能干細胞治療后，對這些細胞進行克隆，IPS在不同的患者體內(nèi)有很大的個體差異，我們希望分析不同患者體內(nèi)的IPS細胞，讓大家更好地理解IPS細胞以及利用IPS細胞治療疾病的方法。我們首先要明白，這些患者的基因背景、遺傳背景，以便分析人類的這種基因為什么會發(fā)生突變，了解其變異的原因。通過多方的合作研究，我們開發(fā)出了一種能夠讓我們從非神經(jīng)細胞誘導(dǎo)出神經(jīng)元的方法，這樣可以進一步加速獲取神經(jīng)元細胞。我們通常以纖維元細胞作為材料，利用大數(shù)量的神經(jīng)纖維元細胞質(zhì)取這些神經(jīng)元細胞，通過科學(xué)不斷發(fā)展我們可以看到所生產(chǎn)出來這些神經(jīng)元細胞，它們通過非神經(jīng)的細胞轉(zhuǎn)分化實現(xiàn)，通過轉(zhuǎn)化、分化，我們可以利用轉(zhuǎn)錄最后實現(xiàn)神經(jīng)細胞的獲取，從非神經(jīng)元細胞獲取的神經(jīng)元細胞功能強大，和人體原有的神經(jīng)元細胞一模一樣，有正常神經(jīng)元的的特性，具備神經(jīng)信號傳遞功能。我們希望利用神經(jīng)元以外的原材料質(zhì)取神經(jīng)元細胞，也就是IPS細胞以及ES細胞，利用這種不同非神經(jīng)元細胞質(zhì)取神經(jīng)元細胞。近些年，也有很多此類的論文研究，即如何利用ES或者IPS細胞，利用單轉(zhuǎn)錄因子實現(xiàn)這些細胞的再生。從ES或者IPS細胞里面讓它轉(zhuǎn)化為成為神經(jīng)元。然而，這些通過介質(zhì)獲取的神經(jīng)元細胞不會是完美的，不會是成熟的，需要我們不斷培養(yǎng)它，但是這個方法有個很大優(yōu)勢，你可以生產(chǎn)出大量的神經(jīng)元，而且它的效率很高，可以在很短時間內(nèi)生產(chǎn)出大量的神經(jīng)元細胞。神經(jīng)元細胞特性首先突出傳遞，也就是說人腦這些神經(jīng)元細胞信息如何傳遞，如何通過不同的信號來進行傳遞，信號有可能會被阻斷，另外也需要這些神經(jīng)元細胞作出信號的反應(yīng)。與此同時，還要保證這些信息傳遞在短期內(nèi)具有一定的可塑性。基于這些目的，這些神經(jīng)元細胞他們是正常的，在培養(yǎng)過程中他們這些神經(jīng)元是很正常的，利用這樣的技術(shù)，我們可以在很短的時間內(nèi)生產(chǎn)出大量的神經(jīng)元細胞。

有兩種疾病是我們社會所面臨非常重大的挑戰(zhàn)，即自閉癥和老年癡呆癥。我們目前還沒有完全理解這兩種疾病發(fā)病機理，但是我們已經(jīng)取得了一些進步。首先與自閉癥相關(guān)的變異，人類基因科學(xué)方面我們有了進一步的發(fā)展，有的基因序列有了了解，對人類基因有了更加深刻的了解。在過去我們對人類的基因并不是那么的熟悉，但是對于基因組序列的測試我們更好了解到人類基因，尤其是與神經(jīng)精神疾病相關(guān)的基因，我們現(xiàn)在有了更深入的理解，尤其是包括有這個自閉癥以及阿爾茨海默癥以及這些分裂疾病等等。這些會出現(xiàn)影響病人溝通交流以及語言障礙和刻板的重復(fù)幸福，因為自閉癥給我們帶來了巨大的個人社會經(jīng)濟方面的負擔(dān)，對于自閉癥發(fā)病機理，對于自閉癥個人理解的利用是非常有限的，我們會思考這個自閉癥本身除了是疾病之外到底是由何發(fā)生的，我們需要進一步的加深對自閉癥的理解。當(dāng)前在這些方面取得重要有意義的進步在于，我們發(fā)現(xiàn)很多基因與自閉癥相關(guān)的，目前研究證實至少是有61個基因與自閉癥息息相關(guān)。我們會思考到底是怎樣的基因發(fā)生的突變，到底哪里出錯了，我們到底可以怎樣進行干預(yù)改變自閉癥，治療自閉癥。我們?nèi)绻麨榱双@得非常準確的信息，對于基因?qū)W家來說我們主要做是做圖譜的測試和分析，尤其對于基因網(wǎng)絡(luò)以及結(jié)構(gòu)的分析加深了解，在這里你可以看到有各種各樣的基因組的名稱，當(dāng)然這些名稱不需要大家記住，我想說非常重要的一點是：這幾組基因當(dāng)中，多年以來一直致力于研究的基因組，我們發(fā)現(xiàn)有一些基因他們其實在生物上是密切相關(guān)的，比如說像一些基因相關(guān)性比較強，有一些基因組關(guān)系是非常微弱的，甚至我們根據(jù)生物來解釋并沒有辦法解釋得通。所以在這些方面我們通過的進一步的分析，對自閉癥生物學(xué)有更加深的理解，尤其有幾組基因與自閉癥形成是息息相關(guān)的。而在我們的研究過程中，我們對一系列的與神經(jīng)疾病息息相關(guān)的基因進行研究。我們研究的問題就是希望找到在這樣特定基因組當(dāng)中，尤其是與自閉癥與阿爾茨海默癥或者與精神分裂癥相關(guān)的基因組到底是由何發(fā)生的，它們到底是因為變異所產(chǎn)生還是因為其他的原因所產(chǎn)生的，我們就需要使用剛才大家所說的，我們要用iN細胞與一些傳統(tǒng)的基因?qū)W研究的方法聯(lián)合起來，共同生成一些干細胞，做這些基因進一步的研究。我們培養(yǎng)出來了兩類干細胞。這兩類干細胞分別是NSK1和CKO以及CKR可以幫助我們進一步了解到底是由那些引起了基因的變化，尤其是引起了基因變異的變化。通過這種方法，我們就可以去生產(chǎn)出來人類的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元是有一定的功能。它還可以展現(xiàn)出來Ngn2的表達，這些表達當(dāng)然可以有一系列的功能性，它可以幫助我們進一步的了解不同的表形。

從生物的角度進行分析的時候，我們發(fā)現(xiàn)它們也可以在整個的表形的變化方面，尤其是在突出的強度方面其實是呈現(xiàn)了下降的趨勢，如果是有不同孤立的刺激元所刺激的話引起變化，這樣一個下降的趨勢其實可以幫助我們，當(dāng)我們刺激了刺激元之后，經(jīng)過幾次刺激之后會逐漸向正確響應(yīng)。到底怎么樣會發(fā)生一些響應(yīng)，我們需要進行多次刺激。當(dāng)我們獲得這個結(jié)果之后，發(fā)現(xiàn)非常有意思，把這些結(jié)論寫在論文當(dāng)中來發(fā)表。除了我們有發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)之外，可能還有一些其他的原因，我們在干細胞領(lǐng)域還會進一步的往下研究，我們也希望通過神經(jīng)元進一步的進行研究。為了進一步推進我們的研究，我們用了傳統(tǒng)的方法做實驗，得到結(jié)果是一樣的，這就證明了我們通過神經(jīng)元研究的方法是一個非常有效的方法。

舉這個例子，是想向大家展示我們可以怎么樣通過使用iN細胞來分析疾病的發(fā)病機理以及疾病生成原因，也許我們看到了與這種精神神經(jīng)性疾病相關(guān)的變異，可以通過生成神經(jīng)元在不同的刺激之下，到底怎么樣使用iN細胞來實現(xiàn)這一點。尤其是我們可以了解不同的神經(jīng)精神性疾病的發(fā)病機理，可以幫助我們進一步的探索疾病發(fā)病的機理，從而幫助我們找到應(yīng)對疾病的方法。

剛才給大家介紹到的自閉癥以及精神分裂癥一樣，我主要想給大家介紹一下基因的研究方法，以便大家更好地了解阿爾茨海默癥。目前對于阿爾茨海默癥人們已有所了解，但是并沒有找到最終的解決方法，尤其是在當(dāng)前老齡化社會中，阿爾茨海默癥更是一項巨大的社會挑戰(zhàn)。阿爾茨海默癥在基因方面的一些風(fēng)險因子到底是什么？主要就是在人體當(dāng)中有APP和早老素它的變異出現(xiàn)會產(chǎn)生巨大的影響，引發(fā)衰老產(chǎn)生。另外，有一種蛋白質(zhì)我們稱之為ApoE，有三種，分別是ApoE1、ApoE2、ApoE3。這三個變種如果出現(xiàn)的話，也會對阿爾茨海默癥產(chǎn)生巨大的作用。第三個風(fēng)險因子還有多態(tài)性的變異，在阿爾茨海默癥病人身上體現(xiàn)明顯。這些變異會帶來一些明顯影響。我想給大家強調(diào)一下ApoE，我個人對ApoE非常有興趣，ApoE的主要功能可以在血液中促進膽固醇在目標(biāo)器官當(dāng)中的吸收。ApoE的功能是非常重要的，而且它也與膽固醇相關(guān)的疾病息息相關(guān)。與此同時，ApoE其實也是在大腦的新型膠質(zhì)洗中非常豐富，我們知道血管之外沒有血液，ApoE在大腦當(dāng)中新型膠質(zhì)細胞中含量巨大。我們發(fā)現(xiàn)ApoE與阿爾茨海默癥息息相關(guān)，之前我發(fā)表了一篇論文，其中專門講到了25年以來阿爾茨海默癥的研究變化。當(dāng)時的研究當(dāng)中講到了ApoE從基因上面來說就是與阿爾茨海默癥息息相關(guān)的，而且有大量的病人他們?nèi)绻谳^早的年紀就開始出現(xiàn)阿爾茨海默癥癥狀的話，他們的ApoE含量是比較大的，因此ApoE其實是在血液當(dāng)中可以促進蛋白質(zhì)的吸收。ApoE2和ApoE3在病人含量當(dāng)中是非常大的，它們在成病的機理當(dāng)中也發(fā)揮了非常重要的作用。不同的ApoE是否會在整個的動作形成的過程中展現(xiàn)出獨特的效力。在這個項目中，我們也用了同樣的方法，即剛才已經(jīng)提到的方法，實現(xiàn)生成人類神經(jīng)元，那么我們用了Ngn2生成人類細胞神經(jīng)元。我們對這種細胞進行培養(yǎng)，我們來分析膠質(zhì)蛋白生產(chǎn)出數(shù)噸的膠質(zhì)蛋白，我們希望可以找到從之前所謂纖維元細胞生產(chǎn)出來神經(jīng)元細胞，他們在不同的培養(yǎng)環(huán)境中是否能夠幸存下來。在分析這些細胞的時候，大家可以看到我們要考慮到這些受體的結(jié)合，因為ApoE也就是說膠質(zhì)蛋白它的接收器，它有時候它的活力可能會受到影響，在底部我們可以看到有一些地方是被阻斷，通過這些實驗?zāi)z質(zhì)蛋白可以激活這些信號的傳遞。這樣的話這些積極的信號傳遞在不同的這些膠質(zhì)蛋白的變體中它的這種信號傳遞的強度也是不一樣的。通過這種不同的膠質(zhì)蛋白的變體可以增強這些信號的傳遞，我們可以看到ApoE第四個變體，跟ApoE2跟ApoE3更強，我們需要分析在未來可以給我們那些啟示，參與到這種信息傳遞過程中的分子他們的特性是什么，我們知道如何可以實現(xiàn)這些信號的傳遞。

我想說我們可以利用非常具體的操作方式，把某些分子進行分離，來分析這些不同的神經(jīng)元細胞之間的信號傳遞。這樣的話可以保護人體中的這些激酶，保護這些信息能夠得到激活，保證這些信號能夠激活。這樣的話，能夠保證信號有效的在神經(jīng)元細胞之間進行傳遞。這樣的話，我們也可以來衡量不同的膠質(zhì)蛋白對于信號傳遞的作用。我們需要找到這些關(guān)鍵節(jié)點在哪里，我在這里就不講太多的細節(jié)了，因為講的太多可能說技術(shù)性比較強更難理解，我想和大家分享的是我們發(fā)現(xiàn)的成果，我們看到這種信號傳遞路徑是按照這樣的方式來傳遞的，ApoE的接收器是在神經(jīng)元細胞之上，它可以通過膠質(zhì)蛋白進行激活。ApoE4可以更好地激活神經(jīng)元細胞。這特定酶可以來影響到上游以及下游這些信號的傳遞。通過這樣一種信號的傳輸，按照不同等級進行傳輸，我們也相信這種信號傳遞的路徑可以顯示出ApoE蛋白對于信號傳遞的作用，這些激酶它可以來激活這些蛋白質(zhì)的信號增強作用。ApoE4是更好地一種信號激活的分子，要比ApoE2和ApoE3信號激活的效果更好，也就是說ApoE4是我們強烈推薦的用來治療阿爾茨海默癥的?；谶@一點分析，我相信我們需要回到基因這樣一個等級來進行分析。

開始的時候我們也是發(fā)現(xiàn)了基因突變會導(dǎo)致阿爾茨海默癥，但是通過表明蛋白的這些研究，我們會研究到底是哪種蛋白質(zhì)導(dǎo)致了阿爾茨海默癥，這是從早期的研究開始的，我們就開始設(shè)想ApoE膠質(zhì)蛋白信號傳遞作用是否在某個過程中人為的進行干預(yù)和操作，是否可以找到某種聯(lián)系，或者說有一種可能性的存在能夠幫助我們來分析不同的ApoE蛋白對這種信號傳遞作用的效果是否不一樣。我們也出版了一些論文來分析膠質(zhì)蛋白對于不同的目標(biāo)受體它的這種作用。首先我們利用ApoE增加了APP的程度，這樣的話通過ApoE所帶來的信號傳遞的作用就增強ApoE4是比ApoE3更加有效，我們之前也分析的ApoE3比ApoE2更加有效，增加神經(jīng)元細胞的信號傳遞。ApoE的相關(guān)受體通過激活能夠更好的接收這些信息，在底部我們可以看到這些研究的具體數(shù)據(jù)，從表面蛋白接收信號開始來研究這些因素，是哪些因素導(dǎo)致了阿爾茨海默癥，APP在這個過程中獨立出來進行研究的。膠質(zhì)蛋白ApoE可以和某些疾病相關(guān)，不只是我們所說的阿爾茨海默癥，因為我們知道這種信號的傳遞是和轉(zhuǎn)路有關(guān)，我們知道ApoE是和我們某些疾病有一定的聯(lián)系，如果我們可以增加Aβ，我們通過分析可以發(fā)現(xiàn)ApoE是否能夠增加Aβ，而且不同的ApoE3和ApoE4對于這個增強效果也是不一樣的，所有的這一切都是利用這種信號傳遞的路徑來進行分析的。這也是我們之前所說的激酶的作用性有關(guān)。所有這些研究整合在一起，可以看到從某種程度上解釋了ApoE的信號傳遞效果和APP和Aβ以及和阿爾茨海默癥之間的關(guān)聯(lián)性。

什么樣的一種機理能夠影響到我們對于APP轉(zhuǎn)路的影響。ApoE某種程度上是否可以影響APP的轉(zhuǎn)路以及APP的程度，通過這種信號的增強，通過不同的實驗，我們可以看到利用CPISPRI的映射技術(shù)，可以更好地促進ApoE的帶來的轉(zhuǎn)路，利用這樣一種方式我們利用不同的誘導(dǎo)技術(shù)，來研究APP結(jié)合序列在APP促進因素里面是否可以跟MNP這些激酶的活力有一定相關(guān)性，或者說是否會影響到APP的相關(guān)轉(zhuǎn)路。APP轉(zhuǎn)路以及它的結(jié)合效果是否跟AP1相關(guān)呢？在底部我們進行的確認，通過這些實驗我們找到了在APP促進因素里面會影響到ApoE對APP轉(zhuǎn)路效果的干預(yù)，通過這一點我們之前所說的Aβ，這樣的話我們可以影響到增加Aβ的程度，從而影響到APP的轉(zhuǎn)路。這種序列是否會對我們誘導(dǎo)產(chǎn)生的機制相關(guān)？是否會影響到我們最后的促進因素的效果。包括這個APP轉(zhuǎn)錄，如果一旦發(fā)生這個突變是否會影響這個神經(jīng)元的序列，我們可以看到這個序列是影響了最后的效果。這個轉(zhuǎn)路的結(jié)合效果對于ApoE來說，實際上是非常有趣的及從神經(jīng)學(xué)的角度進行研究，你會發(fā)現(xiàn)它有時候要影響到激酶的產(chǎn)生，利用ApoE轉(zhuǎn)路效果以及ApoE可以促進我們之前所說APP轉(zhuǎn)路的效果。ApoE以及ApoE的受體以及其他的分子，可能也會產(chǎn)生同樣的效果，而ApoE受體一旦被激活之后，可能就會由DOK來指示它，但是我們知道它會影響APP的轉(zhuǎn)路，而且會增加APP的水平，從而可以提高Aβ的水平。而這樣的一個機制，其實可以讓我們看到ApoE的形式會增加不斷累計的APP、Aβ，從而也有可能會增加相應(yīng)的阿爾茨海默癥的風(fēng)險。與此同時，我們這個細胞因為有了ApoE的激活，因為我們剛才講到了ApoE1、ApoE2、ApoE3都與它相關(guān)。從我個人角度來說，ApoE不同的受體以及不同的變體的形式，其實會對我們的ApoE4、ApoE3以及ApoE2有不同的效力，而且我們的途徑是比較類似的。所以可以看到有可能是APP變異導(dǎo)致整個阿爾茨海默癥的產(chǎn)生，包括我們可以通過了解到APP整個轉(zhuǎn)路的原因以及途徑，從而進一步探尋阿爾茨海默癥的發(fā)病原因，我相信APP肯定與這個疾病息息相關(guān)的，而具體的一些機制以及一些具體的關(guān)系，目前我們還并不清楚。