干細胞分化來源的神經元可作為轉化神經學的工具

◎ 2013年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者 托馬斯.C.蘇霍夫 美國斯坦福大學教授

在中國，人們都希望能夠不斷地發展和推動科學的進步，尤其是推動中國的科學能夠到達一個國際化的標準。我本人作為一個科學家有這種使命，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方面的一些最基本的研究和方法，希望能夠把這些科學研究轉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元作為轉化神經學的工具在治療疾病方面的一些比較細節性的科學知識，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。有時候不知道這些人類疾病根本性的問題，人們為什么會生病以及人們生病的時候需要科學以及這些基礎生物醫學的進步來治療這些疾病。對此，可能有一些基礎科學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的治療這些疾病。

我和我的團隊目前所開發的干細胞技術，是跟賽爾集團及莫里森教授團隊進行合作的。我們如何利用這些最新前沿的技術，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在不同的患者體內有很大的個體差異，我們希望分析不同患者體內的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生突變，了解其變異的原因。通過多方的合作研究，我們開發出了一種能夠讓我們從非神經細胞誘導出神經元的方法，這樣可以進一步加速獲取神經元細胞。我們通常以纖維元細胞作為材料，利用大數量的神經纖維元細胞質取這些神經元細胞，通過科學不斷發展我們可以看到所生產出來這些神經元細胞，它們通過非神經的細胞轉分化實現，通過轉化、分化，我們可以利用轉錄最后實現神經細胞的獲取，從非神經元細胞獲取的神經元細胞功能強大，和人體原有的神經元細胞一模一樣，有正常神經元的的特性，具備神經信號傳遞功能。我們希望利用神經元以外的原材料質取神經元細胞，也就是IPS細胞以及ES細胞，利用這種不同非神經元細胞質取神經元細胞。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，利用單轉錄因子實現這些細胞的再生。從ES或者IPS細胞里面讓它轉化為成為神經元。然而，這些通過介質獲取的神經元細胞不會是完美的，不會是成熟的，需要我們不斷培養它，但是這個方法有個很大優勢，你可以生產出大量的神經元，而且它的效率很高，可以在很短時間內生產出大量的神經元細胞。神經元細胞特性首先突出傳遞，也就是說人腦這些神經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元細胞作出信號的反應。與此同時，還要保證這些信息傳遞在短期內具有一定的可塑性?；谶@些目的，這些神經元細胞他們是正常的，在培養過程中他們這些神經元是很正常的，利用這樣的技術，我們可以在很短的時間內生產出大量的神經元細胞。

有兩種疾病是我們社會所面臨非常重大的挑戰，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病機理，但是我們已經取得了一些進步。首先與自閉癥相關的變異，人類基因科學方面我們有了進一步的發展，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，尤其是與神經精神疾病相關的基因，我們現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。這些會出現影響病人溝通交流以及語言障礙和刻板的重復幸福，因為自閉癥給我們帶來了巨大的個人社會經濟方面的負擔，對于自閉癥發病機理，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生的，我們需要進一步的加深對自閉癥的理解。當前在這些方面取得重要有意義的進步在于，我們發現很多基因與自閉癥相關的，目前研究證實至少是有61個基因與自閉癥息息相關。我們會思考到底是怎樣的基因發生的突變，到底哪里出錯了，我們到底可以怎樣進行干預改變自閉癥，治療自閉癥。我們如果為了獲得非常準確的信息，對于基因學家來說我們主要做是做圖譜的測試和分析，尤其對于基因網絡以及結構的分析加深了解，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：這幾組基因當中，多年以來一直致力于研究的基因組，我們發現有一些基因他們其實在生物上是密切相關的，比如說像一些基因相關性比較強，有一些基因組關系是非常微弱的，甚至我們根據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的。而在我們的研究過程中，我們對一系列的與神經疾病息息相關的基因進行研究。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的基因組到底是由何發生的，它們到底是因為變異所產生還是因為其他的原因所產生的，我們就需要使用剛才大家所說的，我們要用iN細胞與一些傳統的基因學研究的方法聯合起來，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，我們就可以去生產出來人類的神經元，這些神經元是有一定的功能。它還可以展現出來Ngn2的表達，這些表達當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，我們發現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，當我們刺激了刺激元之后，經過幾次刺激之后會逐漸向正確響應。到底怎么樣會發生一些響應，我們需要進行多次刺激。當我們獲得這個結果之后，發現非常有意思，把這些結論寫在論文當中來發表。除了我們有發現的效應之外，可能還有一些其他的原因，我們在干細胞領域還會進一步的往下研究，我們也希望通過神經元進一步的進行研究。為了進一步推進我們的研究，我們用了傳統的方法做實驗，得到結果是一樣的，這就證明了我們通過神經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性疾病相關的變異，可以通過生成神經元在不同的刺激之下，到底怎么樣使用iN細胞來實現這一點。尤其是我們可以了解不同的神經精神性疾病的發病機理，可以幫助我們進一步的探索疾病發病的機理，從而幫助我們找到應對疾病的方法。

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，尤其是在當前老齡化社會中，阿爾茨海默癥更是一項巨大的社會挑戰。阿爾茨海默癥在基因方面的一些風險因子到底是什么？主要就是在人體當中有APP和早老素它的變異出現會產生巨大的影響，引發衰老產生。另外，有一種蛋白質我們稱之為ApoE，有三種，分別是ApoE1、ApoE2、ApoE3。這三個變種如果出現的話，也會對阿爾茨海默癥產生巨大的作用。第三個風險因子還有多態性的變異，在阿爾茨海默癥病人身上體現明顯。這些變異會帶來一些明顯影響。我想給大家強調一下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器官當中的吸收。ApoE的功能是非常重要的，而且它也與膽固醇相關的疾病息息相關。與此同時，ApoE其實也是在大腦的新型膠質洗中非常豐富，我們知道血管之外沒有血液，ApoE在大腦當中新型膠質細胞中含量巨大。我們發現ApoE與阿爾茨海默癥息息相關，之前我發表了一篇論文，其中專門講到了25年以來阿爾茨海默癥的研究變化。當時的研究當中講到了ApoE從基因上面來說就是與阿爾茨海默癥息息相關的，而且有大量的病人他們如果在較早的年紀就開始出現阿爾茨海默癥癥狀的話，他們的ApoE含量是比較大的，因此ApoE其實是在血液當中可以促進蛋白質的吸收。ApoE2和ApoE3在病人含量當中是非常大的，它們在成病的機理當中也發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，即剛才已經提到的方法，實現生成人類神經元，那么我們用了Ngn2生成人類細胞神經元。我們對這種細胞進行培養，我們來分析膠質蛋白生產出數噸的膠質蛋白，我們希望可以找到從之前所謂纖維元細胞生產出來神經元細胞，他們在不同的培養環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合，因為ApoE也就是說膠質蛋白它的接收器，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，通過這些實驗膠質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蛋白對于信號傳遞的作用。我們需要找到這些關鍵節點在哪里，我在這里就不講太多的細節了，因為講的太多可能說技術性比較強更難理解，我想和大家分享的是我們發現的成果，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的接收器是在神經元細胞之上，它可以通過膠質蛋白進行激活。ApoE4可以更好地激活神經元細胞。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。基于這一點分析，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現了基因突變會導致阿爾茨海默癥，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導致了阿爾茨海默癥，這是從早期的研究開始的，我們就開始設想ApoE膠質蛋白信號傳遞作用是否在某個過程中人為的進行干預和操作，是否可以找到某種聯系，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蛋白對于不同的目標受體它的這種作用。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，增加神經元細胞的信號傳遞。ApoE的相關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據，從表面蛋白接收信號開始來研究這些因素，是哪些因素導致了阿爾茨海默癥，APP在這個過程中獨立出來進行研究的。膠質蛋白ApoE可以和某些疾病相關，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路有關，我們知道ApoE是和我們某些疾病有一定的聯系，如果我們可以增加Aβ，我們通過分析可以發現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。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聯性。

什么樣的一種機理能夠影響到我們對于APP轉路的影響。ApoE某種程度上是否可以影響APP的轉路以及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，可以更好地促進ApoE的帶來的轉路，利用這樣一種方式我們利用不同的誘導技術，來研究APP結合序列在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性，或者說是否會影響到APP的相關轉路。APP轉路以及它的結合效果是否跟AP1相關呢？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轉路效果的干預，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的轉路。這種序列是否會對我們誘導產生的機制相關？是否會影響到我們最后的促進因素的效果。包括這個APP轉錄，如果一旦發生這個突變是否會影響這個神經元的序列，我們可以看到這個序列是影響了最后的效果。這個轉路的結合效果對于ApoE來說，實際上是非常有趣的及從神經學的角度進行研究，你會發現它有時候要影響到激酶的產生，利用ApoE轉路效果以及ApoE可以促進我們之前所說APP轉路的效果。ApoE以及ApoE的受體以及其他的分子，可能也會產生同樣的效果，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的阿爾茨海默癥的風險。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。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變異導致整個阿爾茨海默癥的產生，包括我們可以通過了解到APP整個轉路的原因以及途徑，從而進一步探尋阿爾茨海默癥的發病原因，我相信APP肯定與這個疾病息息相關的，而具體的一些機制以及一些具體的關系，目前我們還并不清楚。