基因編輯技術(shù)這把“魔剪”自問世以來就受到各領(lǐng)域科學(xué)家的青睞。用這把“魔剪”在生殖細(xì)胞上動(dòng)刀打造代代相傳的“超級人類”，目前尚不被倫理允許。但在倫理許可的其他細(xì)胞上，科學(xué)家正試圖借助這一利器打破人類疾病治療目前面臨的天花板。

北京時(shí)間1月18日凌晨，世界干細(xì)胞領(lǐng)域頂級期刊《細(xì)胞?干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所劉光慧研究組、北京大學(xué)湯富酬研究組和中國科學(xué)院動(dòng)物研究所曲靜研究組的聯(lián)合研究成果：通過靶向編輯單個(gè)長壽基因產(chǎn)生了世界上首例遺傳增強(qiáng)的人類血管細(xì)胞。

何謂遺傳增強(qiáng)的人類血管細(xì)胞？劉光慧在接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）采訪時(shí)表示，“這種細(xì)胞在基因和遺傳特性上進(jìn)行了‘優(yōu)化’。形象地說，這種‘增強(qiáng)’是打在基因組上的烙印，將發(fā)揮持久性的作用。舉個(gè)例子，有些長壽老人不容易生病，不容易患腫瘤，也是遺傳因素在起作用。”

值得注意的是，這是劉光慧等人歷時(shí)六年的成果，而起始材料是人的胚胎干細(xì)胞。基于干細(xì)胞的人類疾病研究、人類衰老的遺傳和表觀遺傳信息解碼、新型基因組編輯技術(shù)，這些都是劉光慧的擅長領(lǐng)域，“關(guān)于干細(xì)胞或基因治療的臨床應(yīng)用，人們對它最大的兩點(diǎn)擔(dān)憂是：是不是足夠有效？是否足夠安全？如果這兩點(diǎn)解決了的話，就可以在臨床上更進(jìn)一步。”劉光慧表示。

從人胚胎干細(xì)胞出發(fā)，通過基因編輯技術(shù)獲得遺傳增強(qiáng)干細(xì)胞，進(jìn)一步分化獲得遺傳增強(qiáng)血管細(xì)胞——這條看起來并不復(fù)雜的路徑，目前看來或可破局干細(xì)胞治療困境。

論文中提到，這些血管細(xì)胞與野生型血管細(xì)胞相比，不但能更高效地促進(jìn)血管修復(fù)與再生，而且能有效抵抗細(xì)胞的致瘤性轉(zhuǎn)化。遺傳增強(qiáng)人類血管細(xì)胞的成功獲得為開展安全有效的臨床細(xì)胞治療提供了重要解決途徑。

通過基因編輯產(chǎn)生FOXO3功能增強(qiáng)的人類血管細(xì)胞，用于治療缺血性血管病變。

為什么要對干細(xì)胞遺傳增強(qiáng)

研究團(tuán)隊(duì)將“魔剪”用在胚胎干細(xì)胞上，這首先得從干細(xì)胞治療的現(xiàn)狀說起。

所謂的干細(xì)胞，是一類具有自我復(fù)制能力的細(xì)胞，在一定條件下可以分化成多種功能細(xì)胞。其中，胚胎干細(xì)胞分化潛力最大，“理論上可以衍生出不同類型的細(xì)胞治療的產(chǎn)品”，這也意味著各類受損組織或器官都會(huì)因此具有再生希望。

然而，這一領(lǐng)域目前面臨著兩個(gè)亟需解決的問題：有效性和安全性。

干細(xì)胞治療的對象，目前普遍聚焦在老年人或者患有難治性疾病的病人。在具體的治療中，劉光慧提到，“疾病發(fā)生損傷的部位會(huì)對外源植入的細(xì)胞進(jìn)行攻擊，這種攻擊不是指免疫排斥，而是來源于衰老和疾病的不良微環(huán)境。炎性因子、氧自由基、毒性代謝產(chǎn)物等都會(huì)攻擊外來的細(xì)胞移植物。”這會(huì)直接導(dǎo)致移植細(xì)胞尚未發(fā)揮作用就已經(jīng)“陣亡”。

由此可見，理想的干細(xì)胞或細(xì)胞治療應(yīng)該是，細(xì)胞移植到體內(nèi)之后，不需要頻繁地去補(bǔ)注射，其本身就能抵抗局部不良的微環(huán)境，能長久地發(fā)揮作用，直到把受損部位修復(fù)好，有效實(shí)現(xiàn)再生。“這是一種理想的狀態(tài)，目前還很難達(dá)到。”

除了看不到療效，另外一個(gè)更大的擔(dān)憂在于形成腫瘤。“這是阻礙細(xì)胞治療技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，對于干細(xì)胞治療中可能存在的致癌風(fēng)險(xiǎn)，很多人還持有謹(jǐn)慎的態(tài)度，即使這種治療方式有很大的希望。”劉光慧指出。

那么，突破常規(guī)思路，讓移植細(xì)胞能夠適應(yīng)非正常生理狀況下的不良微環(huán)境，是不是就能從根本上解決療效和安全性這兩個(gè)“攔路虎”？

首創(chuàng)的“一石二鳥”策略

研究團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)錨定在名為“FOXO3”的轉(zhuǎn)錄因子。

轉(zhuǎn)錄因子，顧名思義，是一種可以協(xié)助遺傳物質(zhì)DNA向RNA轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。FOXO3這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合在基因的啟動(dòng)子區(qū)域，上調(diào)一些基因轉(zhuǎn)錄。

關(guān)鍵的一點(diǎn)是，F(xiàn)OXO3被認(rèn)為是一種重要的人類長壽蛋白，在世界各國人群中幾乎都存在。此前已有研究表明，F(xiàn)OXO3與延緩細(xì)胞衰老、抵御外界應(yīng)激和增強(qiáng)心血管穩(wěn)態(tài)關(guān)系密切。此外，F(xiàn)OXO3的活化可通過誘導(dǎo)抑癌基因表達(dá)抵抗細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化。

在人類胚胎干細(xì)胞中，研究團(tuán)隊(duì)利用第三代腺病毒載體HDAdV介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)，巧妙地置換了FOXO3編碼基因的第3號外顯子中的兩個(gè)單核苷酸。改變兩個(gè)單核苷酸，對于浩瀚的基因組海洋來說，猶如“四兩撥千斤”之舉。

兩個(gè)核苷酸一旦改變，對應(yīng)的編碼蛋白FOXO3在氨基酸水平上會(huì)有兩個(gè)氨基酸的變異。正常情況下，這兩個(gè)氨基酸會(huì)被細(xì)胞里面的蛋白激酶Akt磷酸化，隨后FOXO3就從細(xì)胞核里被輸送到胞漿里去，然后被降解。而氨基酸變異之后就不能被Akt有效地磷酸化，這也就意味著，編碼蛋白FOXO3就能在細(xì)胞核里“停留”更長的時(shí)間，從而更好地發(fā)揮其本職作用。

研究團(tuán)隊(duì)隨后將上述FOXO3遺傳增強(qiáng)的人類胚胎干細(xì)胞定向分化為血管內(nèi)皮細(xì)胞（血管內(nèi)膜）、血管平滑肌細(xì)胞（血管中膜）及間質(zhì)細(xì)胞（血管外膜）。實(shí)驗(yàn)表明，這三種血管細(xì)胞均表現(xiàn)出比野生型細(xì)胞更強(qiáng)的自我更新、抵抗氧化損傷及延緩細(xì)胞衰老等能力。在機(jī)制方面，論文中提到，內(nèi)源激活的FOXO3通過拮抗CSRP1基因表達(dá)介導(dǎo)對血管細(xì)胞衰老的抵抗作用。

進(jìn)一步，針對從上述遺傳增強(qiáng)的人類胚胎干細(xì)胞中分化獲得的血管細(xì)胞，研究團(tuán)隊(duì)還在小鼠身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，小鼠腿部的大血管被結(jié)扎，出現(xiàn)缺血性損傷。于是，研究人員向小鼠腿部注入人類增強(qiáng)型血管細(xì)胞，幫助小鼠的傷腿重新再生出血管系統(tǒng)。

結(jié)果顯示，增強(qiáng)血管細(xì)胞的移植可高效促進(jìn)受損血管的再生，迅速恢復(fù)缺血部位的血流，證明這些細(xì)胞具有明顯優(yōu)于野生型細(xì)胞的血管修復(fù)能力。

效果不錯(cuò)，致瘤性這個(gè)難題是否也能迎刃而解？

為驗(yàn)證遺傳增強(qiáng)干細(xì)胞作為移植材料的安全性，研究人員為它們設(shè)計(jì)了一種極端環(huán)境：將多種致癌因子導(dǎo)入野生型和遺傳增強(qiáng)的干細(xì)胞中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遺傳增強(qiáng)干細(xì)胞還可以有效地抵抗癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化。“不僅沒有形成腫瘤，還獲得了抵抗腫瘤的能力。”劉光慧表示。

FOXO3增強(qiáng)型人血管細(xì)胞對細(xì)胞癌化具有強(qiáng)抵抗作用。

研究團(tuán)隊(duì)指出，通過改寫人類基因組中的兩個(gè)堿基，研究團(tuán)隊(duì)成功建立了可同時(shí)抵抗細(xì)胞衰老和癌變的優(yōu)質(zhì)人類血管細(xì)胞。劉光慧認(rèn)為，這實(shí)際上達(dá)到了“一石二鳥”的效果：既獲得治療能力的增強(qiáng)，還同時(shí)獲得抵抗腫瘤的能力。

在細(xì)胞治療和原位再生的研究領(lǐng)域，研究團(tuán)隊(duì)此次的工作是一項(xiàng)世界首創(chuàng)的策略。

FOXO3功能增強(qiáng)可延緩血管衰老，增強(qiáng)應(yīng)激抵抗并防止細(xì)胞癌變。

值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)對于遺傳增強(qiáng)的這種治療策略此前就有相關(guān)論文發(fā)表。2017年，同樣的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，獲得國際上第一例遺傳增強(qiáng)人類干細(xì)胞。“思路是一脈相承的，但這次是針對人類長壽基因進(jìn)行編輯，且著重在血管退行性疾病系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。”

這種首創(chuàng)的策略是否具有推廣性，在其他疾病領(lǐng)域中大顯身手？

對于這一點(diǎn)，劉光慧著重指出，除了上述“一石二鳥”的效果，團(tuán)隊(duì)的技術(shù)路線是利用人類胚胎干細(xì)胞作為起始材料。

“人類胚胎干細(xì)胞可以在體外大量擴(kuò)增，同時(shí)又可以在實(shí)驗(yàn)室中被定向誘導(dǎo)分化成任何一種具有治療潛力的細(xì)胞類型。未來，遺傳增強(qiáng)策略可能有助于實(shí)現(xiàn)人類優(yōu)質(zhì)細(xì)胞治療產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。”劉光慧表示。