科学家利用混合化合物实现将皮肤细胞成功转化为神经元

  近日，发表于国际杂志Cell Stem Cell上的两篇研究论文中，来自中国上海生命科学研究院、同济大学及北京大学的科学家通过研究仅利用混合的化学物质就成功地将皮肤细胞转化成为神经元细胞，其中一个实验室利用来自健康个体和阿尔兹海默氏症个体的细胞，而另一个实验室则利用来自小鼠的细胞；这项研究对于开发新型策略来扩大细胞的重编程研究，进而开发新型疾病疗法提供了新的希望。
  驱动细胞改变自己的身份是一项非常大的挑战，因为你操作的细胞或许看起来正常但实际上相比自然状态下形成副本而言这种细胞往往具有不同的内部活动；这两篇研究论文都发现，相似的基因表达、动作电位及突触的形成都可以通过转录因子诱导的神经元来进行检测，而这些神经元则可以通过多种混合的化合物来诱发转化形成。
  研究者Jian Zhao博士指出，我们发现通过化学策略诱导的细胞转化过程可以通过下调皮肤细胞的特殊基因或增加神经元转录因子的表达来实现；通过协调多种信号途径，这些小型分子就可以调节神经元转录因子的基因表达并且促进神经元细胞的转变，这种细胞间的直接转变可以绕过细胞增殖性的中间阶段。在这项研究论文中，研究人员表示，利用纯粹的化学步骤就可以基于阿尔兹海默氏症患者的皮肤细胞来制造神经元细胞，目前大多数的工作都是利用转录因子来诱导病人的干细胞来制造产生诱导多能行干细胞，而化学性的细胞重编程被认为可以作为可替代的疾病模型或是潜在的细胞替代疗法。
  来自北京大学干细胞研究所的研究者Hongkui Deng说道，相比利用转基因的重编程因子，用于化学方法的小分子或许是细胞可渗透的，而且可以有效轻松地合成，并且进行保存和标准化操作，而且其效应也是可以逆转的。另外这种小分子可以通过调节其浓度和持续时间来对其进行更好地调节。
  研究者Deng及其同事通过研究鉴别出了一种小分子可以产生化学性的诱导小鼠神经元细胞，他们已经进行相关研究很多年了，他们认为一种单一的转录因子就可以完全完成不同细胞间的转化，但通过多种化学筛选过程，他们发现了关键的名为I-BET151的组分，其可以抑制皮肤细胞的转录，随后研究者还发现正确的步骤和条件对于促进转化后的神经元细胞的成熟也是非常必要的。
  两篇文章的作者目的都希望对化学性诱导细胞重编程的过程进行更多深入的研究，从而来制造出更加有效的步骤，当然当前的研究结果是非常有希望的；化学性的方法或许在诱导功能性的成熟神经元细胞上具有强劲的动力，另外研究者还试图通过利用单一的化学物来产生特异性的神经元细胞亚型及病人特异性的功能性神经元，用于进行转化医学的研究。
  最后研究者Jian Zhao说道，利用一系列相似的化学方法我们或许会产生不同的神经元细胞亚型，当前我们需要通过更加深入的研究来确定是否可以通过在活的有机体中利用多种化合物来诱导功能性神经元的产生，这或许就为开发治疗多种神经变性疾病的新型疗法提供新的思路和希望。（转化医学网360zhyx.com）
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Direct Conversion of Normal and Alzheimer’s Disease Human Fibroblasts into Neuronal Cells by Small Molecules
Cell Stem Cell    doi:10.1016/j.stem.2015.07.006
Wenxiang Hu8, Binlong Qiu8, Wuqiang Guan8, Qinying Wang, Min Wang, Wei Li, Longfei Gao, Lu Shen, Yin Huang, Gangcai Xie, Hanzhi Zhao, Ying Jin, Beisha Tang, Yongchun Yu9, Jian Zhao, Gang Pei.
Neuronal conversion from human fibroblasts can be induced by lineage-specific transcription factors; however, the introduction of ectopic genes limits the therapeutic applications of such induced neurons (iNs). Here, we report that human fibroblasts can be directly converted into neuronal cells by a chemical cocktail of seven small molecules, bypassing a neural progenitor stage. These human chemical-induced neuronal cells (hciNs) resembled hiPSC-derived neurons and human iNs (hiNs) with respect to morphology, gene expression profiles, and electrophysiological properties. This approach was further applied to generate hciNs from familial Alzheimer’s disease patients. Taken together, our transgene-free and chemical-only approach for direct reprogramming of human fibroblasts into neurons provides an alternative strategy for modeling neurological diseases and for regenerative medicine.

Small-Molecule-Driven Direct Reprogramming of Mouse Fibroblasts into Functional Neurons
Cell Stem Cell    doi:10.1016/j.stem.2015.06.003
Xiang Li5, Xiaohan Zuo5, Junzhan Jing5, Yantao Ma, Jiaming Wang, Defang Liu, Jialiang Zhu, Xiaomin Du, Liang Xiong, Yuanyuan Du, Jun Xu, Xiong Xiao, Jinlin Wang, Zhen Chai, Yang Zhao, Hongkui Deng.
Recently, direct reprogramming between divergent lineages has been achieved by the introduction of regulatory transcription factors. This approach may provide alternative cell resources for drug discovery and regenerative medicine, but applications could be limited by the genetic manipulation involved. Here, we show that mouse fibroblasts can be directly converted into neuronal cells using only a cocktail of small molecules, with a yield of up to >90% being TUJ1-positive after 16 days of induction. After a further maturation stage, these chemically induced neurons (CiNs) possessed neuron-specific expression patterns, generated action potentials, and formed functional synapses. Mechanistically, we found that a BET family bromodomain inhibitor, I-BET151, disrupted the fibroblast-specific program, while the neurogenesis inducer ISX9 was necessary to activate neuron-specific genes. Overall, our findings provide a “proof of principle” for chemically induced direct reprogramming of somatic cell fates across germ layers without genetic manipulation, through disruption of cell-specific programs and induction of an alternative fate.