世界生命科学前沿动态周报（十七）

（07.26 --08.01 / 2010）
美宝国际集团:陶国新 

　　本周动态包括以下内容：科学家分离出人类胚胎中胚层祖细胞；关键基因控制哺乳动物组织再生；关键基因控制哺乳动物组织再生；台湾研究人员发现“尼古丁受体”证实吸烟致乳癌；Btbd7基因调控上皮细胞动力学及分支形态的发生；糖尿病与生物节律有关；单细胞基因表达分析时代的来临。

1. 科学家分离出人类胚胎中胚层祖细胞
【摘要】科技日报 发布时间：2010-7-28 10:57:56
　　在最新一期的美国《国家科学院院刊》（PNAS）网络版上，美国加州大学洛杉矶分校布罗德干细胞研究中心的科学家们描述了一个标志人类胚胎干细胞分化最初阶段的细胞群，这些细胞由此将进入一个发育路径，并最终形成血液、心肌、血管和骨骼等。此项发现或将帮助科学家们创建出可用于再生医学的更好、更安全的组织，也将允许科学家们更好地了解可成为身体内任何细胞的多能干细胞与那些失去了多能性、正在变成特定组织细胞的细胞之间的差异。在早期发育阶段，人类胚胎干细胞遵循3个不同的发育路径来形成最初的生殖细胞层：中胚层，外胚层和内胚层。这3个胚层细胞接下来会变成各种人体组织。在这项研究中，加州大学洛杉矶分校病理学和实验室医学教授盖伊•克鲁克斯博士和她的团队对随后将进入中胚层路径的人类胚胎干细胞进行了研究，此一路径最终将导致形成血液细胞、血管、心脏细胞、肌肉、软骨、骨骼和脂肪。
　　在将人类胚胎干细胞放入培养皿中三四天后，研究人员发现这些细胞的一小部分已失去了表征细胞多能状态的一个重要的表面标志特征，并获得了新的代表中胚层细胞的标记。由于这些标记陈列在细胞表面，利用特异性抗体就可从培养皿的其他细胞中分离出人类胚胎中胚层祖细胞（hEMP细胞）。研究人员表示，hEMP细胞是从人类胚胎干细胞转变成中胚层细胞的最初阶段细胞。尽管这些细胞似乎必定会形成中胚层，但它们尚未确定会形成何种中胚层组织。克鲁克斯的研究重点是利用人类胚胎干细胞制造出造血干细胞。研究表明，由实验室中的人类血液干细胞制成的造血干细胞缺乏在骨髓或脐带血中的造血干细胞所拥有的某些功能，因此，由胚胎干细胞而来的造血干细胞并不能发育成一个最理想的免疫系统。克鲁克斯希望，hEMP细胞可用于创建和骨髓与脐带血中造血干细胞一样功能强大的造血干细胞，这些细胞将可安全地用于人体，以治疗诸如白血病和镰状细胞贫血症等疾病。经广泛测试证明，hEMP细胞失去了形成畸胎瘤的能力，而形成畸胎瘤的能力是胚胎干细胞的一个标志。克鲁克斯表示，正是基于可能形成畸胎瘤的风险，研究人员普遍认为在人体中使用多能干细胞并非良策。此次分离出的hEMP细胞由于不具备形成畸胎瘤的能力，因此，对于开发用于人体的治疗方法来说，hEMP细胞应是一个安全的选择。目前，研究人员正在研究如何以最佳方式引导这些hEMP细胞发育成中胚层细胞谱系中的任何类型，并对这些细胞加以操控，以使它们在增殖和分化时成为功能性细胞。
【点评】
　　失去了形成畸胎瘤的能力理论上使中胚层祖细胞比胚胎干细胞在人体中使用时更安全，但仅是这样还不能排除干细胞疗法目前面临的障碍，也无法保证中胚层祖细胞在临床上能成功使用。

【原文摘录】Published online before print July 19, 2010, doi: 10.1073/pnas.1002077107
Mapping the first stages of mesoderm commitment during differentiation of human embryonic stem cells
Denis Evseenko, Yuhua Zhu, Katja Schenke-Layland, et al.
Our understanding of how mesodermal tissue is formed has been limited by the absence of specific and reliable markers of early mesoderm commitment. We report that mesoderm commitment from human embryonic stem cells (hESCs) is initiated by epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) as shown by gene expression profiling and by reciprocal changes in expression of the cell surface proteins, EpCAM/CD326 and NCAM/CD56. Molecular and functional assays reveal that the earliest CD326−CD56+ cells, generated from hESCs in the presence of activin A, BMP4, VEGF, and FGF2, represent a multipotent mesoderm-committed progenitor population. CD326−CD56+ progenitors are unique in their ability to generate all mesodermal lineages including hematopoietic, endothelial, mesenchymal (bone, cartilage, fat, fibroblast), smooth muscle, and cardiomyocytes, while lacking the pluripotency of hESCs. CD326−CD56+ cells are the precursors of previously reported, more lineage-restricted mesodermal progenitors. These findings present a unique approach to study how germ layer specification is regulated and offer a promising target for tissue engineering.

2. 关键基因控制哺乳动物组织再生
【摘要】来源：PNAS 发布时间：2010-7-30 12:37:54
　　与海绵、扁形虫、水螅和蝾螈这些动物界的肢体再生冠军不同，哺乳动物缺乏附肢再生的能力。如今，一项在实验室小鼠中进行的新研究，利用这项“绝技”的一个罕见例外证明了一种肿瘤抑制因子能够作为哺乳动物体内的再生能力关键调控因子。一些小鼠的与众不同之处在于，如果它们的耳朵上被刺了个小洞，这些啮齿动物能够通过一种再生过程来使伤口愈合。与形成疤痕组织不同的是，伤口的治愈过程始于一种胚基——能够发生细胞增殖和去分化的一种结构——的形成。然而迄今为止，为什么这种附肢再生仅仅会发生在这些被科学家称为“医疗者”的小鼠中却依然是个未解之谜。美国宾夕法尼亚州费城Wistar研究院的Khamilia Bedelbaeva和同事发现，来自一种“医疗者”小鼠的细胞，也就是所谓的MRL细胞，具有一种不寻常的细胞周期表型，即细胞能够在G2和M阶段之间的边界上积聚。这条能够增加细胞增殖潜能的G2/M斜线在包括从水螅到哺乳动物肝细胞的其他再生体系中也曾被发现。连同细胞凋亡标记水平的增加，与来自野生型小鼠的细胞相比，MRL纤维原细胞还表现出了脱氧核糖核酸（DNA）损伤及修复水平的增加。哺乳动物肿瘤抑制因子p21是一种DNA损伤响应以及细胞周期的调节物。那么这种蛋白质是否也是哺乳动物再生过程的一个关键调节因素呢？研究人员发现，在“医疗者”小鼠的MRL细胞中，p21的表达是缺失的。除此之外，通过删除细胞周期蛋白—依赖激酶抑制剂1A（CDKN1A）——一种编码p21的基因，能够将非“医疗者”小鼠转化为“医疗者”小鼠，这证实了在小鼠中，p21是一种再生能力的反向调节因素。研究人员在最近出版的美国《国家科学院院刊》上报告了这一研究成果。Bedelbaeva推断，在“医疗者”小鼠中提高增殖潜能并伴随更高水平的凋亡，将使得细胞分化得以迅速发生，同时不必面临发展出肿瘤的风险，从而促进了再生过程。研究人员希望，这些新的发现或许将最终在临床试验中给出刺激人体再生能力的方法。（来源：科学时报 群芳）
【点评】
　　此项研究证实了在小鼠中，肿瘤抑制因子p21是一种再生能力的反向调节因素。p21表达缺失的“医疗者”小鼠能使细胞在G2和M期之间的边界上积聚，提高增殖潜能，促进了再生过程。这一发现丰富了我们对于哺乳动物再生能力调控因素的认识，但目前还远不能断定其临床应用前景。

【原文摘录】PNAS March 30, 2010 vol. 107 no. 13 5845-5850
Lack of p21 expression links cell cycle control and appendage regeneration in mice
Khamilia Bedelbaeva, Andrew Snyder, Dmitri Gourevitch et al.
Animals capable of regenerating multiple tissue types, organs, and appendages after injury are common yet sporadic and include some sponge, hydra, planarian, and salamander (i.e., newt and axolotl) species, but notably such regenerative capacity is rare in mammals. The adult MRL mouse strain is a rare exception to the rule that mammals do not regenerate appendage tissue. Certain commonalities, such as blastema formation and basement membrane breakdown at the wound site, suggest that MRL mice may share other features with classical regenerators. As reported here, MRL fibroblast-like cells have a distinct cell-cycle (G2/M accumulation) phenotype and a heightened basal and wound site DNA damage/repair response that is also common to classical regenerators and mammalian embryonic stem cells. Additionally, a neutral and alkaline comet assay displayed a persistent level of intrinsic DNA damage in cells derived from the MRL mouse. Similar to mouse ES cells, the p53-target p21 was not expressed in MRL ear fibroblasts. Because the p53/p21 axis plays a central role in the DNA damage response and cell cycle control, we directly tested the hypothesis that p21 down-regulation could functionally induce a regenerative response in an appendage of an otherwise nonregenerating mouse strain. Using the ear hole closure phenotype, a genetically mapped and reliable quantitative indicator of regeneration in the MRL mouse, we show that the unrelated Cdkn1atmi/Tyj/J p21−/− mouse (unlike the B6129SF2/J WT control) closes ear holes similar to MRL mice, providing a firm link between cell cycle checkpoint control and tissue regeneration.

3. 台湾研究人员发现“尼古丁受体” 证实吸烟致乳癌
【摘要】中国新闻网 发布时间：2010-7-29 10:12:01
　　台北医科大学研究团队日前公布一项医学新发现称，乳房上皮细胞的表面有某种尼古丁受体，此受体受到香烟中的尼古丁刺激，就会导致细胞癌化。因此，抽烟或吸二手烟将会导致乳癌。 乳房上皮细胞表面的尼古丁受体α9，在尼古丁持续刺激下，细胞过度反应，会自动活化再发展出更多的受体α9，久而久之，造成细胞癌化与肿瘤增生。 该研究团队进一步发现，将受体α9反应过度的细胞植入免疫缺陷鼠内，癌细胞就像踩了油门一样，快速生长；相反地，利用基因调控技术抑制α9的活性，肿瘤就会明显缩小。α9对尼古丁很敏感，碰到7ηM剂量的尼古丁，在60分钟内，α9与尼古丁结合就会达到饱和，而二手烟中尼古丁浓度约有200ηM。 研究团队也分析276例岛内女性病患的乳癌组织，证实α9与烟瘾有关，有烟瘾女性的α9表现量，是吸二手烟、未抽烟者的2至3倍，而且α9越活跃者，乳癌愈恶性，发现罹癌时通常是乳癌晚期或末期。据报道，过去抽烟将导致乳癌的证据，主要来自流行病学与间接的分子生物研究，这项研究是找到直接证据，这为未来研制乳癌抗癌药物找到重要的生物分子标靶。
【点评】
　　该项研究找到了抽烟将导致乳癌的直接证据，除为未来研制乳癌抗癌药物找到重要的生物分子标靶外或许还有助于说服女烟民戒烟以及女性拒绝二手烟。

4. Btbd7基因调控上皮细胞动力学及分支形态的发生
【摘要】EurekAlert! 2010-7-30 10:31:11
　　在胚胎发育的时候，我们有许多内脏器官是通过上皮细胞的反复分支而形成的。研究人员说，一种被称作Btbd7的特殊基因对这一过程有帮助。 Tomohiro Onodera及其同事对小鼠的发育进行了研究并发现，Btbd7蛋白控制着唾液腺和肺脏生长的上皮细胞分支。应用成像技术，研究人员能够观察到Btbd7调控着这种细胞分支以形成器官特征性结构所需的“裂隙”。 Onodera及其同事说，Btbd7是通过调控诸如Snail2和 E-cadherin等其它蛋白质来完成这一工作的。 他们还说，该蛋白质通过抑制细胞之间的相互粘附而将细胞释放出来，并使它们能够按照在哺乳动物中分支器官生长所必需的方向迁徙。
【点评】
　　对小鼠的发育进行的研究发现Btbd7蛋白通过调控其它蛋白质来完成调控唾液腺和肺脏生长的上皮细胞分支这一工作的。该蛋白质通过抑制细胞之间的相互粘附而将细胞释放出来，并使它们能够按照在哺乳动物中分支器官生长所必需的方向迁徙。该研究有助于我们了解胚胎发育时细胞的迁移和细胞运动的集体调控。

【原文摘录】Science DOI: 10.1126/science.1191880
Btbd7 Regulates Epithelial Cell Dynamics and Branching Morphogenesis
Tomohiro Onodera, Takayoshi Sakai, Jeff Chi-feng Hsu, et al.
During embryonic development, many organs form by extensive branching of epithelia through the formation of clefts and buds. In cleft formation, buds are delineated by the conversion of epithelial cell-cell adhesions to cell-matrix adhesions, but the mechanisms of cleft formation are not clear. We have identified Btbd7 as a dynamic regulator of branching morphogenesis. Btbd7 provides a mechanistic link between the extracellular matrix and cleft propagation through its highly focal expression leading to local regulation of Snail2 (Slug), E-cadherin, and epithelial cell motility. Inhibition experiments show that Btbd7 is required for branching of embryonic mammalian salivary glands and lungs. Hence, Btbd7 is a regulatory gene that promotes epithelial tissue remodeling and formation of branched organs.

5. 糖尿病与生物节律有关
【摘要】Nature 2010-7-30 10:08:12
　　在进食期间，胰岛分泌胰岛素来维持葡萄糖体内平衡，这个有节奏的过程在糖尿病患者体内被扰乱了。现在，用小鼠所做实验表明，胰岛有它们自己的生物钟，在睡眠-清醒周期中来组织和安排胰岛素的分泌。转录因子CLOCK 和 BMAL1对这一过程很关键，携带Clock 和Bmal1基因的缺陷版本的小鼠会患“hypoinsulinaemia”（胰岛素水平过低症）和糖尿病。这项工作证明了一个局部组织的生物时钟能够在胰腺β细胞中将生物节律信号和新陈代谢信号整合起来，它说明生物节律分析是更深入了解代谢表现型以及治疗2-型糖尿病等代谢疾病的关键。
【点评】
　　小鼠实验的结果证明了糖尿病的发生与胰岛自己的生物钟有关，一个局部组织的生物时钟能够在胰腺β细胞中将生物节律信号和新陈代谢信号整合起来，这一发现可能有助于糖尿病辅助治疗。

【原文摘录】Nature 466, 627-631 (29 July 2010) | doi:10.1038/nature09253
Disruption of the clock components CLOCK and BMAL1 leads to hypoinsulinaemia and diabetes
Biliana Marcheva, Kathryn Moynihan Ramsey, Ethan D. Buhr，et al.
The molecular clock maintains energy constancy by producing circadian oscillations of rate-limiting enzymes involved in tissue metabolism across the day and night. During periods of feeding, pancreatic islets secrete insulin to maintain glucose homeostasis, and although rhythmic control of insulin release is recognized to be dysregulated in humans with diabetes, it is not known how the circadian clock may affect this process. Here we show that pancreatic islets possess self-sustained circadian gene and protein oscillations of the transcription factors CLOCK and BMAL1. The phase of oscillation of islet genes involved in growth, glucose metabolism and insulin signalling is delayed in circadian mutant mice, and both Clock and Bmal1 (also called Arntl) mutants show impaired glucose tolerance, reduced insulin secretion and defects in size and proliferation of pancreatic islets that worsen with age. Clock disruption leads to transcriptome-wide alterations in the expression of islet genes involved in growth, survival and synaptic vesicle assembly. Notably, conditional ablation of the pancreatic clock causes diabetes mellitus due to defective β-cell function at the very latest stage of stimulus–secretion coupling. These results demonstrate a role for the β-cell clock in coordinating insulin secretion with the sleep–wake cycle, and reveal that ablation of the pancreatic clock can trigger the onset of diabetes mellitus.

6. 单细胞基因表达分析时代的来临
【摘要】
　　科学家们近日首次实现了对物种在整个表达谱范围内的蛋白表达噪声测量。该项成果是单分子技术与系统生物学交互融合的典范，预示了单细胞基因表达分析时代的来临。在基因表达研究领域，传统的研究方法是在同等条件下磨碎大量细胞，然后测量基因产物的数量，例如mRNA和蛋白。然而最近的研究却发现，看起来完全相同的单个细胞实际上表达水平完全是随机的，存在着巨大的个体差异，科学家称之为“噪音”。科学家们在研究单细胞生物体的“噪音”时发现，即使是基因完全相同的细胞其行为也是完全不同的。测量不同生物体内的蛋白表达噪音可以帮助科学家们了解生命的演化和功能。
　　哈佛大学化学与生物化学系谢晓亮小组最新的研究成果将该领域带入了一个新的高度。 7月30日最新一期美国《科学》发表了题为《大肠杆菌蛋白组及转录组单分子水平测量》的论文，报道了大肠杆菌的1018个基因在单个细胞内的绝对表达数以及各个细胞间的差异，这些基因占了大肠杆菌全基因组的四分之一左右。他们还同时测量了其中137个大量表达的基因的mRNA分子数量。尽管在同基因组细菌群的细胞中，蛋白和mRNA拷贝数差异巨大，不过通常数量较小，难以在单分子水平上检测。谢晓亮小组的研究人员利用自己搭建的一套全新的大肠杆菌黄色荧光蛋白融合库，成功地实现了单个细胞内在单分子水平对整个表达谱范围内的蛋白和mRNA的定量分析。该项研究有两个惊人的发现。首先，20%的蛋白质表达水平很低，小于每个细胞一个分子。研究人员发现当表达水平较低的时候，几乎所有的蛋白分布均可用两个参数的伽玛分布来描述，也就是mRNA的转录速率和每个mRNA分子表达为蛋白质的数量。而当表达水平较高的时候，分布图被其他的外部噪音所充斥。作者的另一重要发现是，单细胞中某基因在某一时刻的mRNA表达拷贝数与其蛋白表达拷贝数无关，由此可见，单个细胞中的蛋白组分析与转录组分析是没有关联的。由于细胞中某些功能基因的蛋白质和绝大多数mRNA 的拷贝数都相当低，这项研究成果提供的方法将大大促进科学家对基因随机表达和调控的理解。 这种关联性缺失的一个原因是mRNA分子和蛋白质分子在细胞内的寿命长短不同。mRNA 只存在几分钟，而蛋白质分子可以存在数个小时，大大超过细胞周期。此外，对很多细胞而言，一些蛋白的唯一来源来自于母细胞，而mRNA只是偶尔产生。这就导致了在细胞分裂过程中某些蛋白质分子分配不均衡，这种现象在哺乳动物细胞中同样存在。（来源：科学网综合报道）
【点评】
　　单个细胞内在单分子水平对整个表达谱范围内的蛋白和mRNA的定量分析技术的出现会可能会极大的改变和推进人们对细胞内部活动的认识，会在一个相对完整的层次上去研究细胞内部的生命规律。

【原文摘录】Science 30 July 2010:Vol. 329. no. 5991, pp. 533 - 538
Quantifying E. coli Proteome and Transcriptome with Single-Molecule Sensitivity in Single Cells
Yuichi Taniguchi, Paul J. Choi, Gene-Wei Li, et al.
Protein and messenger RNA (mRNA) copy numbers vary from cell to cell in isogenic bacterial populations. However, these molecules often exist in low copy numbers and are difficult to detect in single cells. We carried out quantitative system-wide analyses of protein and mRNA expression in individual cells with single-molecule sensitivity using a newly constructed yellow fluorescent protein fusion library for Escherichia coli. We found that almost all protein number distributions can be described by the gamma distribution with two fitting parameters which, at low expression levels, have clear physical interpretations as the transcription rate and protein burst size. At high expression levels, the distributions are dominated by extrinsic noise. We found that a single cell’s protein and mRNA copy numbers for any given gene are uncorrelated.