科学家们提出了将任何细胞转变为任何其他细胞类型的方法

在童话故事中，将青蛙变成王子，将仆人变成公主或将鼠变成马的一切都是魔杖的浪潮。但在现实世界中，将一个生物转化为另一个生物并不容易。仅在最近几年，科学家才发现如何使用微小的个体活细胞。事实上，通过发现如何将普通人类皮肤细胞转化为干细胞 - 胚胎中发现的同一种细胞，获得诺贝尔奖的团队获得了诺贝尔奖。经过艰苦的努力，这些细胞可以长大成为体内任何其他类型的细胞。在过去的十年中，这种耗时的转化技术为从出生缺陷到癌症等许多疾病的发现打开了大门。

但是，如果科学家能够切出一步，从皮肤细胞直接进入任何其他类型的细胞呢?“美国国家科学院院刊”上的一篇新论文提出了一种方法 - 并避免生成诱导多能干细胞的其他技术所涉及的所有中间步骤。

在论文中，他们提出了一种方法来利用现有的有关DNA活动的大量数据，并直接重新编程细胞。该公式还提供了一个蓝图，用于确定因子的最佳组合以及何时应添加它们以完成此重新编程。使用这个公式，作者能够推断出诺贝尔奖获得团队发现的因素，这个过程需要多年的反复试验。

这一概念由密歇根大学的科学家团队与马里兰大学和哈佛大学的同事共同开发，将基因组结构和基因表达的生物学信息与一些数学相结合，使用一种称为数据引导控制的方法。该论文的作者包括Roger Brockett，博士。哈佛大学和密歇根大学数学系主任Anthony Bloch博士

虽然本文阐述了一种转化细胞的算法 - 并成功预测了重编程细胞已知的因子 - 但它并未直接在实验室中测试该公式。作者计划进一步测试他们的方法，并希望密歇根州和世界各地的科学家能够尝试它。

如果它结出果实，他们预测它可能具有应用，包括再生患病或丢失的组织，以及抗癌。“身体中的细​​胞自然是专门的，”新生物学高级作者，生物信息学和数学研究员Indika Rajapakse博士说。“我们提出的建议可以提供做同样的快捷方式，帮助任何细胞成为靶细胞类型。”

Rajapakse指出，直接重新编程的想法并不新鲜。在20世纪80年代后期，由已故科学家Harold Weintraub领导的团队通过将细胞浸泡在一种分子中，将细胞直接转化为肌肉细胞，这种分子促使细胞DNA中的某些基因被“读取”。Rajapakse与Weintraub的同事Mark Groudine博士一起训练。在Fred Hutchinson癌症研究中心。

新模型建立在这一理念的基础上，同时利用这些分子的力量，称为转录因子或TF。

但是，不是将整个细胞培养物浸入一个TF中，科学家们的目标是在其生命周期的特定关键时刻针对具有特定TF的细胞。他们建立了一个数学控制模型，用于利用现在可以在分子水平上了解细胞的所有信息，并将其组合起来，以确定注射TF以获得所需细胞类型的时间和顺序。

“我们现在有很多来自RNA和转录因子活性的数据，以及来自染色体配置的Hi-C数据告诉我们两条染色质彼此接近的频率，我们相信我们可以从细胞的初始配置到达所需的配置，“Rajapakse说。

Hi-C技术可以让科学家们跟踪DNA /蛋白质复合物中被称为染色质的部分的位置和接触。因此，即使两个基因在长链DNA上相隔很远，当它们循环，折叠链最终彼此相邻时，它们可能彼此紧密接触。如果其中一个基因被“读取”，它可能产生一个转录因子，然后启动另一个基因的“读取”，以及某种蛋白质的产生，该蛋白质以某种方式在转化细胞中起关键作用。

在一种类型的单元中分析这些“拓扑关联域”所产生的数据量是巨大的。但现代生物信息学技术使人们更容易理解这一切。

该论文的第一作者是Scott Ronquist，博士。学生在计算医学和生物信息学系开始与Rajapakse合作，担任密歇根大学的本科生。他和前博士后研究员Geoff Patterson博士领导了使用Rajapakse实验室生成的基因表达和TAD数据以及公开获得的基因表达和TF数据来测试他们的模型。他们能够看到数据中反映正常细胞分化速度的模式。

现在，他们正在密歇根州的医学博士Max Wicha，密歇根医学的福布斯教授，UM的学术医疗中心，以及UM综合癌症中心的前任主任的实验室中进行主动测试。“这种算法提供了一个对癌症具有重要意义的蓝图，因为我们认为癌症干细胞可能通过类似的重编程途径从正常干细胞中产生，”作为PNAS论文的共同作者的Wicha说。“这项工作对再生医学和组织工程也具有重要意义，因为它提供了产生任何所需细胞类型的蓝图。它还展示了将数学和生物学结合起来解开自然奥秘的美丽。”