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高度表達PODXL 突破8細胞胚胎異種嵌合效率新里程碑

人體免疫排斥、器官捐贈數量與其保存方式限制等因素,綜觀全球,器官移植長期處於供不應求的狀態。為解決這類醫療需求,幹細胞研究於再生醫學中屹立不搖。然而,顧及到細胞來源的安全及爭議,在研究與臨床應用上仍是窒礙難行。若能藉由基因調控的方式,將幹細胞返回最原始的型態,未來,以自體細胞培養出自己的器官非黃粱一夢。

具有多元分化(differentiation)、增生(proliferation)及自我更新(self-renewal)等能力的幹細胞一直是科學家致力探索與解密的標的物之一。簡單來說,當精子與卵子結合成為受精卵時,幹細胞就開始存在,即「胚胎幹細胞」(ESCs,Embryonic stem cells);當胚胎持續分裂、發育並成熟為胎兒呱呱墜地後,存在身體各組織器官,例如:骨髓、臍帶等的幹細胞則是「成體幹細胞」(ASCs,Adult Stem Cells),亦是現今最被廣泛應用在醫療上的幹細胞。又以其分化潛能來論,依序可分為:全能幹細胞(Totipotent stem cells)、富潛能幹細胞(Pluripotent stem cells)、多潛能性幹細胞(Multipotent stem cells)、單能幹細胞(Unipotent stem cells),越到後期,幹細胞的分化能力越專一,這分工明確的跡象意味著,後期生成的幹細胞越無法隨意發展成其他種類的細胞、組織,甚至是完整個體。

 2023PODXL StemCell differentiation CH
圖一:人類幹細胞發育時期與分化潛能階段

 

基因體研究中心副研究員呂仁老師實驗室為了有效地找尋調控胚胎幹細胞分化與自我更新的決定性樞紐因子,建立了第一個在胚胎幹細胞的shRNA篩選,從中發現許多關鍵性的角色。這次呂老師的研究團隊,統合幹細胞生物學、醫學生物學以及化學生物等的研究,在「先進科學」期刊(Advanced Science)發表重要論文,闡述「PODXL」(Podocalyxin-Like Protein 1)膜蛋白可調節膽固醇(Cholesterol)的生物合成途徑,進而影響富潛能幹細胞的發育與自我更新,近一步的研究結果顯示,將高度表達PODXL膜蛋白的人類擴展性富潛能幹細胞 (hEPSCs,human extended pluripotent stem cells)與小鼠8細胞時期胚胎嵌合後,增強擴展性富潛能幹細胞的基因表達,將已知的人鼠嵌合體的發育能力由30%提高至57%。

本論文第一作者陳薇如博士後研究學者表示,初期,呂老師研究團隊與中研院細生所吳漢忠特聘研究員合作,透過人類胚胎幹細胞的HUES 5細胞株,開發出單株抗體5-22 mAb,發現PODXL膜蛋白與抗體展現出高度的親和力,推論此蛋白質應是人類富潛能幹細胞的主要表面抗原。研究團隊十分振奮,他們要追根究底,找出PODXL膜蛋白在富潛能幹細胞上所扮演的角色。

第一步,研究人員決定先確立,PODXL膜蛋白與膽固醇(Cholesterol)之間的調節關係。已知,膽固醇在動物細胞主要用來調節細胞上的流動性,是一重要的脂質類分子,也是脂筏(lipid raft) 訊息傳遞中心的主要成分。結果顯示,PODXL藉由c-MYC、TERT 和 ITGA2來調控膽固醇的生物合成路徑進而維持富潛能幹細胞的功能;同時,當額外補充膽固醇比例時,在富潛能幹細胞中,出現與延長自我更新的跡象。

 2023PODXL cholesterol
圖二:PODXL 通過調節膽固醇影響脂筏動力學,進而影響富潛能幹細胞的效能

 

接著,研究人員挑選可分化為胎盤的hEPSCs當作實驗來源,將其植入小鼠8細胞階段的胚胎中,放置培養皿中讓兩者嵌合,經過37小時後,由免疫螢光染色鑑定技術,觀察其嵌合效率。

正常情況下,兩個不同物種的細胞會相互排斥,在富潛能幹細胞研究領域已知,以初始胚胎幹细胞(naïve stem cells)為基礎的人鼠嵌合效率是趨近於0(0.5%);若使用未調控的EPSCs則是約有30%的效能。相比,呂老師研究團隊將hEPSCs細胞表面的PODXL膜蛋白明顯增多(+Dox)後,研究數據顯示,無論是在滋養層系或內細胞群系的細胞中,皆偵測到屬於人類的hEPSCs幹細胞,其具有嵌合人類細胞的胚胎數比例更是躍升至57%,證實藉由調控PODXL膜蛋白的多寡對於引發與提升擴展性富潛能性幹細胞佔有主導地位。

 2023PODXL overexpression
圖三:高度表達PODXL的人鼠嵌合體效率

 

呂仁老師表示,你我身處在醫療技術日新月異的時代中,不可諱言的,人體構造的奧秘,各種細胞間運作機制的複雜調控,再生醫療仍舊存在許多無法克服的障礙。然而,當科學家致力於這新興醫療技術的不斷突破與改良之餘,倫理規範與法定制度亦是重要議題。

本研究由基因體研究中心呂仁老師團隊成員、吳宗益實驗室、胡春美實驗室、細生所吳漢忠特聘研究員及台灣大學生物研究所宋麗英教授等合作才得以順利完成,論文全文「Podocalyxin-Like Protein 1 Regulates Pluripotency through the Cholesterol Biosynthesis Pathway」可在線上閱讀:https://doi.org/10.1002/advs.202205451

 

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