化学小分子诱导体细胞重编程的机理研究

We developed a novel strategy that can robustly reprogram adult somatic cells into the pluripotent state using only a chemical cocktail, a procedure that is termed “chemical reprogramming” (Science, 2013, 341:651-654; Cell, 2015, 163:1678-1691). This study provides an important proof-of-principle demonstration that the manipulation of signaling pathways and epigenetic regulators alone is sufficient to endow cells with pluripotency and generate CiPSCs (Chemically-induced pluripotent stem cells). In this study, we will focus our research on the following three respects: 1) To further explore the underlying mechanism, and draw a molecular roadmap during chemical reprogramming; 2) To analyze the dynamics of histone modification and DNA methylation during chemical reprogramming, and describe the epigenetic roadmap; 3) To study the molecular mechanism to activate pluripotency genes by the key small molecules. This work should help better understand cell fate determination, improve the CiPS induction efficiency, and develop novel methods for CiPS induction.

2013年，本实验室首次利用小分子化合物组合将小鼠体细胞重编程为诱导多潜能干细胞（Chemically-induced pluripotent stem cells, CiPSCs），建立了一条全新的实现体细胞重编程的途径。化学小分子具有非整合、操作简单、时空调控性强、作用可逆等诸多不可替代的优势，CiPS技术有可能成为新的下一代体细胞重编程技术。本项目将从以下三个方面对CiPS细胞的诱导过程进行深入研究：1）分析CiPS细胞诱导过程中的分子机理，绘制分子路径图谱，比较与传统转录因子重编程过程的异同；2）研究CiPS细胞诱导过程中组蛋白修饰和DNA甲基化的动态变化，描绘表观遗传变化图谱；3）研究CiPS诱导过程中关键小分子启动干性基因的分子机理。本研究将有望揭示新的体细胞重编程机制，为体外获得多潜能干细胞提供新的思路和途径，并从新的视角理解细胞命运是如何决定和转变的。

再生医学正掀起一场医学革命, 其中诱导多能干细胞技术是该领域的革命性突破。2013年，本实验室首次利用小分子化合物组合将小鼠体细胞重编程为诱导多潜能干细胞(CiPS细胞)，建立了一条全新的实现体细胞重编程的途径。化学小分子具有非整合、操作简单、时空调控性强、作用可逆等诸多不可替代的优势，CiPS技术将成为新的下一代体细胞重编程技术。以此为基础，我们对化学小分子诱导体细胞重编进行了深入的分子机制研究，并在化学小分子调控细胞命运领域进行了一系列探索。.本团队在项目资助期间取得多项重要突破：.1) 本团队首次实现了使用化学重编程的策略，利用化学小分子将人成体细胞诱导为多潜能干细胞 (人CiPS细胞), 为人多潜能干细胞制备开辟了全新的途径，实现了干细胞底层技术的突破（Nature, 2022）。在此基础上，本团队建立了高效的人CiPS细胞制备胰岛细胞的方法，并在糖尿病非人灵长类模型中，验证了其长期安全性和有效性。这一结果凸显了人CiPS细胞作为“种子细胞”治疗重大疾病在安全性和有效性上的巨大优势（Nature medicine, 2022）.2) 在化学重编程机制方面，首次在单细胞水平描绘了化学小分子诱导体细胞重编程过程的分子机制, 发现了一条全新的体细胞重编分子路径，将CiPS 诱导诱导时间大大缩短 (Cell Stem Cell, 2018)。解析化学重编程诱导人CiPS细胞的分子路径，揭示化学重编程重启人体细胞再生潜能的机制及关键调控信号通路(Nature, 2022)。.3) 首次证明利用化学小分子实现了肝脏细胞体外的长期维持，为大量制备功能成熟细胞提供给了可能。成功建立了乙肝病毒感染模型，对于乙肝病毒的深入研究和药物研发具有重要意义（Science，2019）。.4) 在化学小分子诱导全能性质干细胞（Nature Commu，2021; Cell Res, 2022），新型类器官(Cell Res, 2021)，实现化学小分子原位重编程(Cell Discov，2021)及清除衰老细胞（Cell Res, 2020）等调控细胞命运方面取得了一系列突破。这一系列工作展现了化学重编程在调控细胞命运方面的强大优势和应用前景。.