2006年，京都大學(xué)山中伸彌教授及其合作者在Cell雜志率先報道了誘導多能干細胞（iPSC）技術(shù)，這類(lèi)細胞重編程自成熟細胞（如皮膚細胞），具有分化成多種細胞類(lèi)型的潛能。該突破技術(shù)的出現很快引發(fā)轟動(dòng)，并掀起了研究熱潮。短短6年后（2012年），山中伸彌教授就因在開(kāi)發(fā)iPSC中做出的貢獻與英國科學(xué)家John B. Gurdon分享了諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎。
很多人認為，iPSC將成功進(jìn)入臨床，并帶來(lái)再生醫學(xué)革命。因為，理論上來(lái)說(shuō)，由于同一名患者同時(shí)是iPSC的供體和受體，因此，這些細胞將被患者的免疫系統識別為“自己人”，從而不會(huì )出現困擾傳統移植的排斥反應問(wèn)題。然而，現實(shí)狀況并沒(méi)有大家想象的那么美好，臨床前研究表明，來(lái)源于iPSC的細胞移植常常被排斥，基于這類(lèi)技術(shù)的療法并沒(méi)有成為最初設想的靈丹妙藥。
那么，為何基于iPSC的細胞移植會(huì )出現這種排斥反應呢？這是很多研究團隊試圖弄清的問(wèn)題。8月19日，發(fā)表在Nature Biotechnology上的一篇論文中，來(lái)自加州大學(xué)舊金山分校等機構的科學(xué)家們獲得了一項重要發(fā)現。研究證實(shí)，成熟細胞向iPSC轉化的過(guò)程會(huì )使線(xiàn)粒體中的DNA發(fā)生突變，而這些突變之后會(huì )觸發(fā)免疫反應，導致小鼠和人類(lèi)排斥iPSC。
“在再生醫學(xué)領(lǐng)域，線(xiàn)粒體的作用很大程度上被忽視了，但我們實(shí)驗室的早期研究表明，線(xiàn)粒體可能會(huì )影響干細胞移植的結果。因此，我們認為，了解線(xiàn)粒體的作用很重要，它能夠幫助我們可靠的控制工程細胞的質(zhì)量，確保被移植到患者體內的干細胞產(chǎn)品不產(chǎn)生排斥反應。”論文共同一作Tobias Deuse博士解釋道。
線(xiàn)粒體通常被稱(chēng)為細胞的動(dòng)力工廠(chǎng)，負責為幾乎所有生物過(guò)程提供能量。擁有自己的基因組使得該細胞器“身份”更加特別。與位于細胞核內的基因組（包含超過(guò)20,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因以及30億個(gè)DNA堿基）不同，線(xiàn)粒體基因組僅包含13種編碼蛋白質(zhì)的基因，以及不到17,000個(gè)堿基。然而，在能量需求非常高的組織中，微小的線(xiàn)粒體基因組為細胞的總蛋白含量貢獻了“驚人的力量”。
舉例來(lái)說(shuō)，在“工作量巨大”的心肌細胞中，多達三分之一產(chǎn)生蛋白質(zhì)的mRNA起源于線(xiàn)粒體。這意味著(zhù)，單個(gè)線(xiàn)粒體的突變負擔可能非常大；最終可能會(huì )產(chǎn)生數千種引發(fā)免疫反應的蛋白質(zhì)。
為了證明這樣的線(xiàn)粒體突變能夠觸發(fā)免疫反應，領(lǐng)導該研究的Sonja Schrepfer教授及其團隊創(chuàng )造了同時(shí)攜帶核DNA（來(lái)自一種小鼠品系）和線(xiàn)粒體DNA（來(lái)自另一種小鼠品系）的雜合干細胞。他們將這些干細胞移植到了具有相同核DNA，但線(xiàn)粒體DNA不同（在兩個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因中有一個(gè)堿基不同）的小鼠中。
移植幾天后，研究人員從小鼠中收集了免疫細胞，并將這些細胞暴露于各種線(xiàn)粒體蛋白片段中。結果顯示，唯一觸發(fā)免疫反應的蛋白質(zhì)由兩個(gè)“外來(lái)”線(xiàn)粒體基因所產(chǎn)生。
雖然類(lèi)似的實(shí)驗不能在人類(lèi)身上進(jìn)行，但科學(xué)家們想出了一個(gè)聰明的解決辦法。他們招募了肝 臟和腎 臟移植患者，利用供體和受體線(xiàn)粒體DNA天然存在的序列差異設計了相關(guān)實(shí)驗。與在小鼠實(shí)驗中一樣，研究人員從每個(gè)移植受體中分離出了免疫細胞，并將這些細胞暴露于線(xiàn)粒體蛋白片段中。結果與小鼠研究一致，受體的免疫細胞只會(huì )被來(lái)自器官供體的“外來(lái)”線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)觸發(fā)。
“在小鼠和人類(lèi)中，即使一個(gè)線(xiàn)粒體突變也足以產(chǎn)生可識別的免疫反應。”Schrepfer教授說(shuō)。
基于以上發(fā)現，科學(xué)家們接著(zhù)確認，是否來(lái)源于iPSC的細胞會(huì )與肝 臟和腎 臟細胞一樣，會(huì )因線(xiàn)粒體表達了不同的蛋白質(zhì)而觸發(fā)機體的免疫排斥。
結果證明，iPSC的轉化過(guò)程具有高度的誘變性，導致了許多新的能激活免疫反應的線(xiàn)粒體突變。
事實(shí)上，在正常生理條件下，線(xiàn)粒體DNA的突變率就比細胞核DNA高10-20倍（與細胞核不同，線(xiàn)粒體缺乏修復DNA的分子機制），而將成熟細胞轉化為干細胞（即產(chǎn)生iPSC）是一個(gè)艱難的過(guò)程，因此，預計突變率會(huì )同樣高或更高。
“在培養皿中培養iPSC的時(shí)間越長(cháng)，引入新突變的可能性就越大，或者，已存在的罕見(jiàn)突變會(huì )被放大，這就會(huì )使得來(lái)源于iPSC 的細胞在移植后更容易被排斥。由于在iPSC生產(chǎn)過(guò)程中很容易引入突變，因此在移植前篩查用于治療的iPSC和干細胞產(chǎn)品的線(xiàn)粒體突變至關(guān)重要。”Shrepfer教授說(shuō)。
不過(guò)，值得一提的是，研究團隊強調，iPSC移植并非注定失敗，他們之前發(fā)現了一種使iPSC對免疫系統“隱形”的方法——這種技術(shù)可以確保iPSC和其它攜帶線(xiàn)粒體突變的干細胞不會(huì )被排斥（今年2月，Deuse博士和Schrepfer教授利用基因魔剪CRISPR技術(shù)創(chuàng )造了首個(gè)功能上對免疫系統隱形的多能干細胞。這被認為是生物工程領(lǐng)域的一項壯舉。在實(shí)驗室研究中，這類(lèi)多能干細胞阻止了排斥反應。）。
總結來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們認為，這些發(fā)現可能會(huì )對移植領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，推動(dòng)iPSC技術(shù)顛覆再生醫學(xué)的進(jìn)程。
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