2012年問鼎諾獎、2020年榮登Nature封面[1]、最強抗衰老公司Altos豪擲30億美元巨資入局、最新發現僅13天可讓皮膚細胞年輕30歲[2]……從科學研究一片繁榮，到資本市場愈加青睐，萬千光環齊聚一身，它就是當下衰老領域研究“寵兒”——表觀遺傳重程式設計。
距離上次報道不過才寥寥數日，重程式設計領域又再次交上令人贊歎的答卷。上周，國際頂級科學雜志Nature發表了一項重磅研究，大陸知名學者、北京大學鄧宏魁教授團隊利用化學小分子成功誘導人體細胞轉變為多潛能幹細胞，開辟了人類多潛能幹細胞制備的全新途徑[3]。
圖注：“人類體細胞化學重程式設計為多能幹細胞”，4月13日正式發表于頂級期刊Nature
逆轉細胞命運，
重程式設計技術大有可為
寒來暑往，四季更疊，萬物皆有運作規律，細胞的生長發育亦是如此。從受精卵開始，細胞逐漸分裂、分化，成長為行使不同功能的成熟體細胞，再經曆增殖、衰老到凋亡。曾經，學界認為，這種細胞“程式化”的命運無法被逆轉，且高度分化的成熟體細胞穩定、不能跨越“表觀遺傳屏障”轉分化為其他細胞類型，因為這對于維持機體正常組織功能至關重要[4, 5]。
然而，随着生命科學與再生醫學的不斷發展，這一觀點受到了挑戰。20世紀60年代，多位學者陸續發現，對成熟細胞進行核移植，能使其轉化為具有受精卵特性的細胞，重獲新生[6, 7]。此後，細胞可塑性成為了學界深入研究的重點。
終于，在2006年，由日本學者山中伸彌主導，團隊通過誘導四種特定的轉錄因子（後被稱為“山中因子”），成功将成年小鼠的成纖維細胞誘導為多潛能幹細胞(iPSCs)[8]，并在一年後（2007年）完成了對人體細胞的誘導重程式設計[9]。
iPSCs技術極大加速了再生醫學的發展，解決了長久來橫亘在人類細胞治療中的難題（如倫理限制）。2012年，iPSCs與體細胞核移植技術一道，榮獲諾貝爾獎生理學或醫學獎。
圖注：左為英國科學家約翰·戈登，右為日大學學家山中伸彌，獲獎理由為“發現成熟細胞可被重程式設計轉變為多能性”
但很快，iPSCs技術也遭遇到巨大挑戰，其一便是令人聞之色變的緻癌性。大多數重程式設計方法都通過病毒載體引入轉錄因子實作，但完成轉導後，這些病毒載體也會将外源基因整合進宿主基因組中，增加部分細胞的增殖與轉化，并提升惡性良性腫瘤發生風險[10]（事實上，後續跟蹤報道也發現，參與山中因子相關研究的實驗動物，多數死于癌症）。
重程式設計技術再更新，
終實作人類體細胞安全誘導
一邊是無可限量的幹細胞應用潛力，一邊又是無法被忽視的癌症風險，如何改進重程式設計技術，自然成為了全球學者下一步的目标。
很快，研究人員們就發現了幾種可替代傳統病毒載體的無基因組整合轉導方法，大大降低了惡性良性腫瘤發生機率，如利用mRNA（信使RNA）作為載體，或借助無法進入宿主細胞核的仙台病毒轉導，但誘導過程中的穩定性不足及轉導效率較低，仍成為了療法的掣肘之處[11]。
2013年，iPSCs領域迎來了一次前所未有的重大機遇。來自大陸的科研團隊率先發現，僅需組合七種小分子化合物，即可将小鼠體細胞重新程式設計為多潛能幹細胞（稱為CiPSCs）[12]，該研究也發表于國際頂級學術期刊Science，轟動一時。
相比較基因轉導，化學重程式設計法在穩定性、透過性、基因組整合風險及試驗條件控制上，都得到了長足的進步[11]。然而，由于人類體細胞表觀遺傳調控的複雜性，如何逆轉人體細胞命運，一直以來都是化學重程式設計面臨的巨大挑戰。這次，還是那個中國團隊，帶來了全新的發展契機。
No.1
多項分子篩選，人類細胞重程式設計終傳捷報
綜合以往多年的研究積累[12-14]，團隊經過多次試驗篩選，發現在多種表觀遺傳調節劑和細胞信号傳導抑制劑的共同作用下，人體細胞中與去分化、再生能力相關的多種基因終于被激活，并擇優選出五種小分子（CHIR99021、PD0325901、SB590885、IWP2和Y27632），成功喚醒了多能性基因網絡，建構了人類化學誘導的多潛能幹細胞（hCiPS細胞）。
與此同時，後續試驗還證明，hCiPS細胞擁有了與人類胚胎幹細胞相似特性：體外培養中可通過形成胚狀體而分化出三胚層細胞，可定向分化産生造血祖細胞、肝細胞及神經幹細胞。
圖注：從成纖維細胞化學重程式設計為hCiPS細胞的示意圖
No.2
明确重程式設計核心階段，關鍵小分子被鎖定
為了摸清人類體細胞化學重程式設計的軌迹，學者們再度開展了精确到單細胞層面的分析，并确定重程式設計過程中的三個連續關鍵階段。
（1）第一階段：激活去分化與再生相關基因
在此階段中，體細胞關聯程式被下調，而多種參與胚胎發育、細胞增殖的基因被明顯上調，且激活了這些特定基因的轉錄過程，細胞表觀遺傳修飾呈現與去分化、再生基因激活相關的整體低甲基化狀态[15]。
（2）第二階段：XEN（原始内胚層）程式激活
該階段内高度表達與原始内胚層（XEN）相關的基因與轉錄因子，并在末期由XEN樣狀态轉變為多能細胞狀态。
（3）第三階段：建立細胞多能網絡
最後一階段，細胞高度表達幼稚多能幹細胞的标志物，此類幹細胞在适宜條件誘導下，具有無限增殖的能力[16]。
此外，學者們還成功發現了上述各階段中的關鍵化學小分子，例如，在第一階段裡，小分子CHIR99021、616452及TTNPB顯著影響了再生基因LIN28A激活，抑制體細胞程式下調，而JNKIN8可恢複細胞可塑性特征。這些調控内源性細胞途徑和表觀遺傳靶點的小分子，通過化學協同作用，成功将人類體細胞從緊密鎖定的分化狀态中“解放出來”。
時光派點評
研習今日這項重磅研究時，筆者真切感受到，多年來團隊全體付諸其上的巨大努力，雖推文中研究的核心結果被筆者凝練，篇幅不過千字，但可以毫不誇張說，任何一種化學小分子的篩選都耗時長久、需投注衆多精力，而随後多種小分子間的各類組合，更是需要科研人員們反複試驗與推敲。
此外，相比先前轉錄因子重程式設計的改良版“不完全重程式設計”（因為可以降低惡性良性腫瘤發生風險），今日成功逆轉了人類體細胞命運的化學重程式設計，路徑更加清晰，不僅明确了核心的細胞誘導階段，更是找到調控不同階段的關鍵化學小分子。自此，再生醫學的發展與細胞重程式設計的應用必将走向一個全新階段。
回首表觀重程式設計向來之路，可謂璀璨無比。從大幅逆轉衰老生物标志物開始，到“抗衰教父”辛克萊與中國大弟子成功實作活體重程式設計，再到前首富貝索斯攜巨資入局，多項重要成果井噴式湧現（文末點選卡片跳轉原文檢視），重程式設計技術已經成為再生醫學與衰老科學中的熱點話題，其巨大抗衰潛力更是讓人充滿期待，時光派也将以“重程式設計技術發展與突破”為話題，另撰文再與各位讀者開展深入探讨。
研究由北京大學鄧宏魁教授主導。鄧宏魁教授，中國人民解放軍總醫院盧實春教授與北京大學王金琳博士為該研究成果的共同通訊作者。北京大學關景洋、王冠、王金琳、張正元、傅瑤、成林、孟高帆、呂钰麟為研究主要作者。北京大學李程教授為該研究的生物資訊學分析提供了重要指導。
該項工作獲得了北大-清華生命科學聯合中心、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金等支援。
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