干细胞分化来源的神经元可作为转化神经学的工具

◎ 2013年诺贝尔生理学或医学奖获得者 托马斯.C.苏霍夫 美国斯坦福大学教授

在中国，人们都希望能够不断地发展和推动科学的进步，尤其是推动中国的科学能够到达一个国际化的标准。我本人作为一个科学家有这种使命，我也希望能够看到我们所进行的这些研究能够给人们带来实实在在的福利。今天，我要做的就是和大家来分享一下我在干细胞技术方面的一些最基本的研究和方法，希望能够把这些科学研究转化为具体的成果并带给人民。下面要分享的是干细胞分化来源的神经元作为转化神经学的工具在治疗疾病方面的一些比较细节性的科学知识，希望大家可以从中获得一些益处。

目前，许多疾病仍然给人类的生存带来诸多的挑战。有时候不知道这些人类疾病根本性的问题，人们为什么会生病以及人们生病的时候需要科学以及这些基础生物医学的进步来治疗这些疾病。对此，可能有一些基础科学的知识是非常有用的，因为我们希望大家能够了解人类的肌体为什么会生病以及我们能够如何更好更加科学的治疗这些疾病。

我和我的团队目前所开发的干细胞技术，是跟赛尔集团及莫里森教授团队进行合作的。我们如何利用这些最新前沿的技术，更好地利用人类肌体以及基于人类基因，更好地研究人类为什么患自闭症等疾病。之前研究表明，患者接受IPS诱导全能干细胞治疗后，对这些细胞进行克隆，IPS在不同的患者体内有很大的个体差异，我们希望分析不同患者体内的IPS细胞，让大家更好地理解IPS细胞以及利用IPS细胞治疗疾病的方法。我们首先要明白，这些患者的基因背景、遗传背景，以便分析人类的这种基因为什么会发生突变，了解其变异的原因。通过多方的合作研究，我们开发出了一种能够让我们从非神经细胞诱导出神经元的方法，这样可以进一步加速获取神经元细胞。我们通常以纤维元细胞作为材料，利用大数量的神经纤维元细胞质取这些神经元细胞，通过科学不断发展我们可以看到所生产出来这些神经元细胞，它们通过非神经的细胞转分化实现，通过转化、分化，我们可以利用转录最后实现神经细胞的获取，从非神经元细胞获取的神经元细胞功能强大，和人体原有的神经元细胞一模一样，有正常神经元的的特性，具备神经信号传递功能。我们希望利用神经元以外的原材料质取神经元细胞，也就是IPS细胞以及ES细胞，利用这种不同非神经元细胞质取神经元细胞。近些年，也有很多此类的论文研究，即如何利用ES或者IPS细胞，利用单转录因子实现这些细胞的再生。从ES或者IPS细胞里面让它转化为成为神经元。然而，这些通过介质获取的神经元细胞不会是完美的，不会是成熟的，需要我们不断培养它，但是这个方法有个很大优势，你可以生产出大量的神经元，而且它的效率很高，可以在很短时间内生产出大量的神经元细胞。神经元细胞特性首先突出传递，也就是说人脑这些神经元细胞信息如何传递，如何通过不同的信号来进行传递，信号有可能会被阻断，另外也需要这些神经元细胞作出信号的反应。与此同时，还要保证这些信息传递在短期内具有一定的可塑性。基于这些目的，这些神经元细胞他们是正常的，在培养过程中他们这些神经元是很正常的，利用这样的技术，我们可以在很短的时间内生产出大量的神经元细胞。

有两种疾病是我们社会所面临非常重大的挑战，即自闭症和老年痴呆症。我们目前还没有完全理解这两种疾病发病机理，但是我们已经取得了一些进步。首先与自闭症相关的变异，人类基因科学方面我们有了进一步的发展，有的基因序列有了了解，对人类基因有了更加深刻的了解。在过去我们对人类的基因并不是那么的熟悉，但是对于基因组序列的测试我们更好了解到人类基因，尤其是与神经精神疾病相关的基因，我们现在有了更深入的理解，尤其是包括有这个自闭症以及阿尔茨海默症以及这些分裂疾病等等。这些会出现影响病人沟通交流以及语言障碍和刻板的重复幸福，因为自闭症给我们带来了巨大的个人社会经济方面的负担，对于自闭症发病机理，对于自闭症个人理解的利用是非常有限的，我们会思考这个自闭症本身除了是疾病之外到底是由何发生的，我们需要进一步的加深对自闭症的理解。当前在这些方面取得重要有意义的进步在于，我们发现很多基因与自闭症相关的，目前研究证实至少是有61个基因与自闭症息息相关。我们会思考到底是怎样的基因发生的突变，到底哪里出错了，我们到底可以怎样进行干预改变自闭症，治疗自闭症。我们如果为了获得非常准确的信息，对于基因学家来说我们主要做是做图谱的测试和分析，尤其对于基因网络以及结构的分析加深了解，在这里你可以看到有各种各样的基因组的名称，当然这些名称不需要大家记住，我想说非常重要的一点是：这几组基因当中，多年以来一直致力于研究的基因组，我们发现有一些基因他们其实在生物上是密切相关的，比如说像一些基因相关性比较强，有一些基因组关系是非常微弱的，甚至我们根据生物来解释并没有办法解释得通。所以在这些方面我们通过的进一步的分析，对自闭症生物学有更加深的理解，尤其有几组基因与自闭症形成是息息相关的。而在我们的研究过程中，我们对一系列的与神经疾病息息相关的基因进行研究。我们研究的问题就是希望找到在这样特定基因组当中，尤其是与自闭症与阿尔茨海默症或者与精神分裂症相关的基因组到底是由何发生的，它们到底是因为变异所产生还是因为其他的原因所产生的，我们就需要使用刚才大家所说的，我们要用iN细胞与一些传统的基因学研究的方法联合起来，共同生成一些干细胞，做这些基因进一步的研究。我们培养出来了两类干细胞。这两类干细胞分别是NSK1和CKO以及CKR可以帮助我们进一步了解到底是由那些引起了基因的变化，尤其是引起了基因变异的变化。通过这种方法，我们就可以去生产出来人类的神经元，这些神经元是有一定的功能。它还可以展现出来Ngn2的表达，这些表达当然可以有一系列的功能性，它可以帮助我们进一步的了解不同的表形。

从生物的角度进行分析的时候，我们发现它们也可以在整个的表形的变化方面，尤其是在突出的强度方面其实是呈现了下降的趋势，如果是有不同孤立的刺激元所刺激的话引起变化，这样一个下降的趋势其实可以帮助我们，当我们刺激了刺激元之后，经过几次刺激之后会逐渐向正确响应。到底怎么样会发生一些响应，我们需要进行多次刺激。当我们获得这个结果之后，发现非常有意思，把这些结论写在论文当中来发表。除了我们有发现的效应之外，可能还有一些其他的原因，我们在干细胞领域还会进一步的往下研究，我们也希望通过神经元进一步的进行研究。为了进一步推进我们的研究，我们用了传统的方法做实验，得到结果是一样的，这就证明了我们通过神经元研究的方法是一个非常有效的方法。

举这个例子，是想向大家展示我们可以怎么样通过使用iN细胞来分析疾病的发病机理以及疾病生成原因，也许我们看到了与这种精神神经性疾病相关的变异，可以通过生成神经元在不同的刺激之下，到底怎么样使用iN细胞来实现这一点。尤其是我们可以了解不同的神经精神性疾病的发病机理，可以帮助我们进一步的探索疾病发病的机理，从而帮助我们找到应对疾病的方法。

刚才给大家介绍到的自闭症以及精神分裂症一样，我主要想给大家介绍一下基因的研究方法，以便大家更好地了解阿尔茨海默症。目前对于阿尔茨海默症人们已有所了解，但是并没有找到最终的解决方法，尤其是在当前老龄化社会中，阿尔茨海默症更是一项巨大的社会挑战。阿尔茨海默症在基因方面的一些风险因子到底是什么？主要就是在人体当中有APP和早老素它的变异出现会产生巨大的影响，引发衰老产生。另外，有一种蛋白质我们称之为ApoE，有三种，分别是ApoE1、ApoE2、ApoE3。这三个变种如果出现的话，也会对阿尔茨海默症产生巨大的作用。第三个风险因子还有多态性的变异，在阿尔茨海默症病人身上体现明显。这些变异会带来一些明显影响。我想给大家强调一下ApoE，我个人对ApoE非常有兴趣，ApoE的主要功能可以在血液中促进胆固醇在目标器官当中的吸收。ApoE的功能是非常重要的，而且它也与胆固醇相关的疾病息息相关。与此同时，ApoE其实也是在大脑的新型胶质洗中非常丰富，我们知道血管之外没有血液，ApoE在大脑当中新型胶质细胞中含量巨大。我们发现ApoE与阿尔茨海默症息息相关，之前我发表了一篇论文，其中专门讲到了25年以来阿尔茨海默症的研究变化。当时的研究当中讲到了ApoE从基因上面来说就是与阿尔茨海默症息息相关的，而且有大量的病人他们如果在较早的年纪就开始出现阿尔茨海默症症状的话，他们的ApoE含量是比较大的，因此ApoE其实是在血液当中可以促进蛋白质的吸收。ApoE2和ApoE3在病人含量当中是非常大的，它们在成病的机理当中也发挥了非常重要的作用。不同的ApoE是否会在整个的动作形成的过程中展现出独特的效力。在这个项目中，我们也用了同样的方法，即刚才已经提到的方法，实现生成人类神经元，那么我们用了Ngn2生成人类细胞神经元。我们对这种细胞进行培养，我们来分析胶质蛋白生产出数吨的胶质蛋白，我们希望可以找到从之前所谓纤维元细胞生产出来神经元细胞，他们在不同的培养环境中是否能够幸存下来。在分析这些细胞的时候，大家可以看到我们要考虑到这些受体的结合，因为ApoE也就是说胶质蛋白它的接收器，它有时候它的活力可能会受到影响，在底部我们可以看到有一些地方是被阻断，通过这些实验胶质蛋白可以激活这些信号的传递。这样的话这些积极的信号传递在不同的这些胶质蛋白的变体中它的这种信号传递的强度也是不一样的。通过这种不同的胶质蛋白的变体可以增强这些信号的传递，我们可以看到ApoE第四个变体，跟ApoE2跟ApoE3更强，我们需要分析在未来可以给我们那些启示，参与到这种信息传递过程中的分子他们的特性是什么，我们知道如何可以实现这些信号的传递。

我想说我们可以利用非常具体的操作方式，把某些分子进行分离，来分析这些不同的神经元细胞之间的信号传递。这样的话可以保护人体中的这些激酶，保护这些信息能够得到激活，保证这些信号能够激活。这样的话，能够保证信号有效的在神经元细胞之间进行传递。这样的话，我们也可以来衡量不同的胶质蛋白对于信号传递的作用。我们需要找到这些关键节点在哪里，我在这里就不讲太多的细节了，因为讲的太多可能说技术性比较强更难理解，我想和大家分享的是我们发现的成果，我们看到这种信号传递路径是按照这样的方式来传递的，ApoE的接收器是在神经元细胞之上，它可以通过胶质蛋白进行激活。ApoE4可以更好地激活神经元细胞。这特定酶可以来影响到上游以及下游这些信号的传递。通过这样一种信号的传输，按照不同等级进行传输，我们也相信这种信号传递的路径可以显示出ApoE蛋白对于信号传递的作用，这些激酶它可以来激活这些蛋白质的信号增强作用。ApoE4是更好地一种信号激活的分子，要比ApoE2和ApoE3信号激活的效果更好，也就是说ApoE4是我们强烈推荐的用来治疗阿尔茨海默症的。基于这一点分析，我相信我们需要回到基因这样一个等级来进行分析。

开始的时候我们也是发现了基因突变会导致阿尔茨海默症，但是通过表明蛋白的这些研究，我们会研究到底是哪种蛋白质导致了阿尔茨海默症，这是从早期的研究开始的，我们就开始设想ApoE胶质蛋白信号传递作用是否在某个过程中人为的进行干预和操作，是否可以找到某种联系，或者说有一种可能性的存在能够帮助我们来分析不同的ApoE蛋白对这种信号传递作用的效果是否不一样。我们也出版了一些论文来分析胶质蛋白对于不同的目标受体它的这种作用。首先我们利用ApoE增加了APP的程度，这样的话通过ApoE所带来的信号传递的作用就增强ApoE4是比ApoE3更加有效，我们之前也分析的ApoE3比ApoE2更加有效，增加神经元细胞的信号传递。ApoE的相关受体通过激活能够更好的接收这些信息，在底部我们可以看到这些研究的具体数据，从表面蛋白接收信号开始来研究这些因素，是哪些因素导致了阿尔茨海默症，APP在这个过程中独立出来进行研究的。胶质蛋白ApoE可以和某些疾病相关，不只是我们所说的阿尔茨海默症，因为我们知道这种信号的传递是和转路有关，我们知道ApoE是和我们某些疾病有一定的联系，如果我们可以增加Aβ，我们通过分析可以发现ApoE是否能够增加Aβ，而且不同的ApoE3和ApoE4对于这个增强效果也是不一样的，所有的这一切都是利用这种信号传递的路径来进行分析的。这也是我们之前所说的激酶的作用性有关。所有这些研究整合在一起，可以看到从某种程度上解释了ApoE的信号传递效果和APP和Aβ以及和阿尔茨海默症之间的关联性。

什么样的一种机理能够影响到我们对于APP转路的影响。ApoE某种程度上是否可以影响APP的转路以及APP的程度，通过这种信号的增强，通过不同的实验，我们可以看到利用CPISPRI的映射技术，可以更好地促进ApoE的带来的转路，利用这样一种方式我们利用不同的诱导技术，来研究APP结合序列在APP促进因素里面是否可以跟MNP这些激酶的活力有一定相关性，或者说是否会影响到APP的相关转路。APP转路以及它的结合效果是否跟AP1相关呢？在底部我们进行的确认，通过这些实验我们找到了在APP促进因素里面会影响到ApoE对APP转路效果的干预，通过这一点我们之前所说的Aβ，这样的话我们可以影响到增加Aβ的程度，从而影响到APP的转路。这种序列是否会对我们诱导产生的机制相关？是否会影响到我们最后的促进因素的效果。包括这个APP转录，如果一旦发生这个突变是否会影响这个神经元的序列，我们可以看到这个序列是影响了最后的效果。这个转路的结合效果对于ApoE来说，实际上是非常有趣的及从神经学的角度进行研究，你会发现它有时候要影响到激酶的产生，利用ApoE转路效果以及ApoE可以促进我们之前所说APP转路的效果。ApoE以及ApoE的受体以及其他的分子，可能也会产生同样的效果，而ApoE受体一旦被激活之后，可能就会由DOK来指示它，但是我们知道它会影响APP的转路，而且会增加APP的水平，从而可以提高Aβ的水平。而这样的一个机制，其实可以让我们看到ApoE的形式会增加不断累计的APP、Aβ，从而也有可能会增加相应的阿尔茨海默症的风险。与此同时，我们这个细胞因为有了ApoE的激活，因为我们刚才讲到了ApoE1、ApoE2、ApoE3都与它相关。从我个人角度来说，ApoE不同的受体以及不同的变体的形式，其实会对我们的ApoE4、ApoE3以及ApoE2有不同的效力，而且我们的途径是比较类似的。所以可以看到有可能是APP变异导致整个阿尔茨海默症的产生，包括我们可以通过了解到APP整个转路的原因以及途径，从而进一步探寻阿尔茨海默症的发病原因，我相信APP肯定与这个疾病息息相关的，而具体的一些机制以及一些具体的关系，目前我们还并不清楚。