“金剛狼”,、“蜘蛛俠”，這些好萊塢大片里的超級(jí)英雄家喻戶曉,。但在現(xiàn)實(shí)生活中,，通過基因編輯技術(shù)改造生殖細(xì)胞,，打造出這些遺傳增強(qiáng)的“超級(jí)人類”被倫理所禁止。而在倫理許可的干細(xì)胞中,，中國科學(xué)家通過基因編輯技術(shù),，首次人工改造出遺傳增強(qiáng)的“超級(jí)”干細(xì)胞。這類干細(xì)胞或?qū)⒃谥委熑祟惣膊≈姓宫F(xiàn)身手,。氣相液氮罐

　　7月7日,，《細(xì)胞研究》(Cell Research)期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所劉光慧課題組,、北京大學(xué)湯富酬課題組和中科院動(dòng)物研究所曲靜課題組的聯(lián)合研究成果，首次將基因編輯技術(shù)用于干細(xì)胞的遺傳增強(qiáng),，從而宣布了國際上第一例遺傳增強(qiáng)人類干細(xì)胞(Genetically Enhanced Stem cells,，GES細(xì)胞)的誕生。

　　眾所周知,，干細(xì)胞是一類具有自我復(fù)制能力的細(xì)胞,，在一定條件下可以分化成多種功能細(xì)胞。那這種新型干細(xì)胞又是什么?

　　在接受澎湃新聞采訪時(shí),，劉光慧介紹說：“ 遺傳 意味著干細(xì)胞的遺傳密碼被改變了,，我們利用基因編輯技術(shù)改寫了人類基因組中的單個(gè)堿基。這種基因組上的改變?cè)诟杉?xì)胞分裂的過程中,，能夠穩(wěn)定地傳遞給子細(xì)胞,。”而“增強(qiáng)”指的是，經(jīng)過這一微小的遺傳密碼置換,，干細(xì)胞會(huì)“老”得更慢,，可以在患者體內(nèi)存活更長時(shí)間，產(chǎn)生更好的再生治療效果,。此外,，這種干細(xì)胞還能抵抗癌基因的侵?jǐn)_，從而降低轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞的風(fēng)險(xiǎn),。正是因?yàn)橥瑫r(shí)獲得了對(duì)細(xì)胞衰老和癌變的抵抗能力,，這種干細(xì)胞被稱為“遺傳增強(qiáng)”的干細(xì)胞。

　　中國科學(xué)院動(dòng)物研究所干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李偉沒有參與這項(xiàng)研究,，他向澎湃新聞點(diǎn)評(píng)道：“這一發(fā)現(xiàn)對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的臨床轉(zhuǎn)化治療具有重要的價(jià)值,，同時(shí)也很好地證實(shí)了利用基因編輯技術(shù)可以促進(jìn)干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，為干細(xì)胞研究提供了值得借鑒的新方法,。”

　　“四兩撥千斤”的核心：轉(zhuǎn)錄因子“NRF2”

　　據(jù)悉,，這種“超級(jí)”干細(xì)胞是為了解決目前干細(xì)胞治療中的兩大難題——治療有效性和安全性。劉光慧團(tuán)隊(duì)及其合作者通過基因編輯技術(shù),，僅改變?nèi)祟惢蚪M中的一個(gè)堿基,，“四兩撥千斤”地破解這兩個(gè)難題。

　　而這個(gè)“四兩撥千斤”的關(guān)鍵改動(dòng)是圍繞著名為“NRF2”的轉(zhuǎn)錄因子展開,。

　　轉(zhuǎn)錄因子,，顧名思義，是指一種可以協(xié)助遺傳物質(zhì)DNA向RNA轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì),。在劉光慧與合作者的工作中,，他們以藥物篩選的方式，試圖找到與干細(xì)胞衰老有關(guān)的關(guān)鍵因子,。這一過程中,，他們發(fā)現(xiàn),，篩選出來能延緩人類間充質(zhì)干細(xì)胞衰老的化合物有一個(gè)共同特點(diǎn)——都能激活NRF2這個(gè)抗氧化的轉(zhuǎn)錄因子。

　　由此,，劉光慧團(tuán)隊(duì)猜測(cè),，在基因?qū)用嬖鰪?qiáng)NRF2的活性或許能夠延緩人類干細(xì)胞的衰老。

　　怎樣做最小改動(dòng)來增強(qiáng)NRF2呢?

　　在之前的研究中,，研究人員已經(jīng)知道,，細(xì)胞里有名曰“KEAP1”的NRF2抑制蛋白，會(huì)通過結(jié)合并降解NRF2,，使其無法發(fā)揮功能,。與此同時(shí)，研究人員也已經(jīng)知曉,，在NRF2與其抑制蛋白接觸的表面上,，有一個(gè)氨基酸很關(guān)鍵，負(fù)責(zé)將NRF2捆綁在抑制蛋白上,。

　　那么,，如果這個(gè)關(guān)鍵的氨基酸被替換掉，NRF2是不是就能脫離抑制蛋白的束縛,，更好地發(fā)揮功能,，保護(hù)細(xì)胞了?

　　“一石二鳥”

　　于是，為了證明這一猜想,，在人類胚胎干細(xì)胞中,，劉光慧團(tuán)隊(duì)使用第三代腺病毒載體HDAdV介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)，置換了NRF2編碼基因的一個(gè)堿基(A245G),。置換后,，NRF2果然得以掙脫抑制蛋白的“控制”，大量進(jìn)入細(xì)胞核,，激活一系列抗氧化和細(xì)胞保護(hù)基因的表達(dá),，使得干細(xì)胞有了更長的“壽命”。

　　隨后,，劉光慧團(tuán)隊(duì)及其合作者測(cè)試了這種經(jīng)過人工改造的干細(xì)胞在體內(nèi)的移植效果,。值得一提的是，在干細(xì)胞治療中,，胚胎干細(xì)胞因?yàn)闀?huì)形成良性的畸胎瘤而無法被直接使用，由胚胎干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化而成的間充質(zhì)干細(xì)胞是更佳的治療材料,。

　　研究人員從液氮罐中取出干細(xì)胞,。

　　因此，劉光慧團(tuán)隊(duì)從上述改造過的人類胚胎干細(xì)胞中分化獲得間充質(zhì)干細(xì)胞,，并在小鼠身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)中,，小鼠腿部的大血管被結(jié)扎，出現(xiàn)缺血性損傷,。于是,，實(shí)驗(yàn)人員向小鼠腿部注入干細(xì)胞，幫助小鼠的傷腿再生出新的血管細(xì)胞,，重新構(gòu)建血管系統(tǒng),。結(jié)果顯示，相比于沒有經(jīng)過基因編輯的干細(xì)胞,，經(jīng)過遺傳增強(qiáng)的間充質(zhì)干細(xì)胞能更顯著地恢復(fù)傷腿的血液循環(huán),，具有更好的再生治療能力。

　　遺傳增強(qiáng)人間充質(zhì)干細(xì)胞在小鼠缺血后肢中再生的血管結(jié)構(gòu),。劉光慧 供圖

　　效果不錯(cuò),，但有沒有安全隱患?這是研究人員無法繞過的科學(xué)問題。

　　緊接著,，劉光慧團(tuán)隊(duì)及其合作者進(jìn)行了安全性評(píng)估,。令他們驚訝的是，經(jīng)過基因編輯的間充質(zhì)干細(xì)胞雖然具有更強(qiáng)的自我更新能力,，但植入小鼠體內(nèi)后不會(huì)形成腫瘤,。就算在許多癌基因同時(shí)激活的情況下，它也保持著高度的基因組穩(wěn)定性,，對(duì)癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化具有很強(qiáng)的“抵抗力”,。

　　更沒想到的是，對(duì)于胚胎干細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)畸胎瘤這一問題,，他們發(fā)現(xiàn),，比起普通的胚胎干細(xì)胞，經(jīng)過基因編輯的胚胎干細(xì)胞產(chǎn)生畸胎瘤的能力大大被削弱,，進(jìn)一步在治療“安全性”上增加了籌碼,。

　　總而言之，通過僅僅置換NRF2編碼基因的一個(gè)堿基,，干細(xì)胞既獲得了更強(qiáng)的再生修復(fù)能力,，又在很大程度上減少了安全隱患，可謂“一石二鳥”,。

　　遺傳增強(qiáng)的策略可標(biāo)準(zhǔn)化,、規(guī)模化,、個(gè)性化

　　這類遺傳增強(qiáng)的“超級(jí)”干細(xì)胞具有可標(biāo)準(zhǔn)化和可規(guī)?；膬?yōu)勢(shì)，未來或可適用于多種治療場(chǎng)景,。目前,，研究人員已經(jīng)就這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了發(fā)明專利,。

　　但劉光慧也對(duì)澎湃新聞謹(jǐn)慎表示，他們猜想,，這類細(xì)胞的使用應(yīng)該是有限制的,。目前他們已經(jīng)證明這一遺傳增強(qiáng)策略在人類間充質(zhì)干細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞上適用，但尚未在所有細(xì)胞類型中檢測(cè)它的有效性和安全性,。例如,，神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新需要活性氧，而抗氧化轉(zhuǎn)錄因子NRF2增強(qiáng)后,，神經(jīng)干細(xì)胞會(huì)不會(huì)受益?這尚是一個(gè)問號(hào),。

　　“我們身體中的任何一種細(xì)胞類型，理論上都有它們喜愛的獨(dú)特的內(nèi)外環(huán)境,。”劉光慧說,，類似神經(jīng)干細(xì)胞的遺傳增強(qiáng)策略可另做個(gè)性化設(shè)計(jì)。

　　中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院營養(yǎng)科學(xué)研究所研究員丁秋蓉未參與該項(xiàng)研究,，她對(duì)澎湃新聞表示,，劉光慧及其合作者提出的對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行“遺傳增強(qiáng)”的策略具有很廣泛的應(yīng)用前景。

　　“(這)可廣泛用于再生醫(yī)學(xué),，加強(qiáng)對(duì)干細(xì)胞移植物的調(diào)控,，使其更好地和組織工程等技術(shù)融合，在體外細(xì)胞大規(guī)模制備,、類器官功能模塊構(gòu)建,，體內(nèi)定向分化、移植入類器官血管化和神經(jīng)化進(jìn)程,、機(jī)體微環(huán)境改善和組織修復(fù)等過程中更具導(dǎo)向性和可控性,，促進(jìn)其臨床轉(zhuǎn)化。”丁秋蓉說,。

　　“當(dāng)然,，遺傳密碼的改變需要很慎重，需要在基于對(duì)修改后細(xì)胞特性充分認(rèn)識(shí),，體內(nèi)安全性充分評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,。”丁秋蓉補(bǔ)充