F-class ── 新的誘導性多功能幹細胞

2012 年諾貝爾生理醫學獎桂冠頒發給了山中伸弥醫師所研發的誘導性多功能幹細胞（induced pluripotent stem cell，iPSC），他利用病毒載體外源性地在體細胞中表現了 4 個轉錄因子：Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc（合稱OSKM），迫使體細胞進行重編程（reprogramming）而進入較原始的多能性（pluripotency）狀態。以 iPSC 作為幹細胞來源的缺點之一在於其產率過低且不穩定，因此科學家們嘗試了許多方法來解決這個問題。一方面科學家以更原始的細胞進行誘導，或者引入／剔除某些基因來增加誘導效率（註一）；另一方面，科學家也嘗試藉由描述重編程過程中細胞狀態的變化以釐清「哪些因子」在「哪些時間點」對於重編程有著不可或缺的重要性（註二）。而以不同方法所製造的所謂的「全能性」幹細胞在功能分析（註三）上可能都略有差別，這些功能的差別反應在細胞本質上有何不同也缺乏細緻的描述。

2014 年來自加拿大的 Andras Nagy 的研究團隊率先將定義上符合 iPSC 的細胞依型態和基因表現的差異分成兩群 ── F-class 和 C-class。後者的形態和基因表現與傳統一樣是多能性幹細胞的胚胎幹細胞（embryonic stem cell，ESC）類似，能在畸胎瘤（teratoma）分析中分化出三種胚層，也能夠植入八細胞的胚胎中長成嵌合鼠。F-class 和 C-class 比較起來除了在細胞間彼此附著的蛋白的基因表現上顯著降低（因而使 F-class 的細胞群落呈現毛毛 (fuzzy) 的樣子）。在功能分析上 F-class 也能夠成功在畸胎瘤分析中分化出三種胚層，然而如果將其植入八細胞胚胎中則將無法發育成帶有植入細胞的老鼠胚胎，而必須以組蛋白去乙醯基酶的抑制劑（histone deacetylase inhibitor，HDACi）加以誘導成 ESC-like 的細胞才能成功。

分析這兩類 iPSC 在重編程路徑上的差別，F-class 必須從頭到尾都必須有高的 OSKM 的表現以誘導和維持其細胞狀態；相反地，C-class 在重編程初期（最初 8 天）才需要高量的 OSKM 的表現。Nagy 將這兩群細胞依不同時間點收集起來進行「多重體」（multiple-omics，包含transcriptome、proteome 和 epigenome）分析，其分析結果完整內容皆發表在 “Stemformatics” 的網站上 [1]。其結論簡單來說如下：在重編程初期整個細胞會有廣泛的 H3K27me3 的下降（因為許多去甲基酶 Kdm6a、Jhdm1d、Phf8 被大量表現），暗示了許多原先異染色質（heterochomatin）的結構將被打開。接著，因著 OSKM 表現量的差異，研究團隊發現在 F-class 細胞中 DNA 甲基化的情形將更傾向被維持，這使得許多 H3K27me3 被去甲基化的基因仍無法被表達出來甚至在之後重新獲得該組蛋白標記；相反地，在 C-class 細胞中低的 OSKM 表現將伴隨廣泛的 DNA 去甲基化，進而使得許多基因能夠獲得 H3K4me3 而成為具有表達活性的基因而將 C-class 細胞導向 ESC-like 的命運。

研究出了這麼多結果，那麼 F-class 的 iPSC 對於幹細胞生物學的意義究竟是什麼呢？Nagy 團隊認為 F-class 細胞有三大優點：基因表現穩定、快速複製、細胞間低度附著使得細胞的收集較為容易。研究團隊認為這三大特性將使此新類型的幹細胞成為相關領域研究的明日之星。

※ 註一：多數 iPSC 的產率不會超過一成，不過 2013 年有篇發表在《Nature》上的研究藉由剔除 Mbd3 ，宣稱可將產率拉高至近乎 100% [2] ※ 註二：2012 年在《Cell》有一篇 “A Molecular Roadmap of Reprogramming Somatic Cells into iPS Cells” 開始對這個議題進行廣泛分析 [3]。
※ 註三：幹細胞的功能分析包括 in vitro differentiation、teratoma formation、chimera formation、germline contribution、teraploid complementation等等。

 

參考資料：

1. Australian Institute of Bioengineering and Nanotechnology (AIBN). (n.d.). Stemformatics – Find expression data from leading stem cell laboratories in a format that is easy to search, easy to visualise and easy to export. Retrieved from https://www.stemformatics.org/
2. Rais, Y., Zviran, A., Geula, S., Gafni, O., Chomsky, E., Viukov, S., . . . Hanna, J. H. (2013). Deterministic direct reprogramming of somatic cells to pluripotency. Nature, 502(7469), 65-70. doi:10.1038/nature12587
3. Polo, J. M., Anderssen, E., Walsh, R. M., Schwarz, B. A., Nefzger, C. M., Lim, S. M., . . . Hochedlinger, K. (2012). A Molecular Roadmap of Reprogramming Somatic Cells into iPS Cells. Cell, 151(7), 1617-1632. doi:10.1016/j.cell.2012.11.039
4. Hussein, S. M. I., Puri, M. C., Tonge, P. D., Benevento, M., Corso, A. J., Clancy, J. L., . . . Nagy, A. (2014). Genome-wide characterization of the routes to pluripotency. Nature, 516(7530), 198-+. doi:10.1038/nature14046
5. Tonge, P. D., Corso, A. J., Monetti, C., Hussein, S. M., Puri, M. C., Michael, I. P., … Nagy, A. (2014). Divergent reprogramming routes lead to alternative stem-cell states. Nature, 516(7530), 192-197. doi:10.1038/nature14047
6. Nagy, A. (2013). Secondary cell reprogramming systems: as years go by. Current Opinion in Genetics & Development, 23(5), 534-539. doi:10.1016/j.gde.2013.07.004
7. Baumann, K. (2014). Multiple routes to pluripotency. Nature Reviews Genetics, 16(2), 67-67. doi:10.1038/nrg3892
8. Woltjen, K., Michael, I. P., Mohseni, P., Desai, R., Mileikovsky, M., Hämäläinen, R., … Nagy, A. (2009). piggyBac transposition reprograms fibroblasts to induced pluripotent stem cells. Nature, 458(7239), 766-770. doi:10.1038/nature07863

 

撰文 | 姚京含

修訂 | 熊浩安