2021年9月29日，Fabin Han教授领导的研究团队在Frontiers in Aging Neuroscience杂志上发表了名为Current Approaches and Molecular Mechanisms for Directly Reprogramming Fibroblasts Into Neurons and Dopamine Neurons 的研究综述，详细阐述了当前将成纤维细胞直接转分化获取多巴胺能神经元的发展历史，制备方法、内在分子机制以及转分化神经细胞在帕金森（PD）等神经退行性疾病研究应用上面临的挑战。利用合适的生物因子组合，不经过多能干细胞阶段而直接将一种类型的成熟体细胞转化为另一种类型的成熟体细胞的技术被定义为直接重编程技术，或称为转分化技术。目前通过直接转分化可以获得多巴胺能神经元，在PD的病理机制研究以及治疗方面应用广泛，前景良好。
研究人员发现，PD主要是由中脑的多巴胺神经元（DA神经元）的特异性退化引起的,主要生物标志是Lewy小体的产生。Lewy小体主要由退化的多巴胺神经细胞和胶质细胞中的蛋白聚合而成。目前市场上仅有一些多巴胺替代药物，只能延缓疾病的恶化，并不能治愈患者。因此，移植细胞以取代受损的DA神经元在治疗PD病症方面具有巨大的潜力。
早期研究人员将人类胎儿脑源性中脑组织或fNSCs移植给PD患者，取得了一定的效果。移植的fNSCs不断改善PD患者的症状，它们在一些患者的大脑中存活了16年，有的甚至达到24年以上，但使用移植细胞会产生伦理和免疫系统排斥等问题。随后研究人员开始尝试使用其他干细胞来治疗PD，如胚胎干细胞（ESC）、间充质干细胞（MSC）和多巴胺前体细胞，但并不能解决问题。之后iPSCs的出现克服了免疫系统对于移植干细胞的排斥反应，在临床方面得到广泛应用。但iPSC诱导神经元可能会残留一部分未分化的细胞，并且iPSC诱导需要外来基因参与，这可能致使肿瘤产生，存在一定风险。为了克服这些问题，研究人员开始探索从成纤维细胞直接转分化获得多巴胺神经元来移植治疗PD。
在通过直接转分化制备诱导DA神经元的过程中，研究人员发现，细胞分化方向主要是由内源性遗传通路和表观遗传修饰来控制的。特定神经元的成熟与分化，如多巴胺神经元，涉及了一系列复杂有序的基因表达和调控。体内多巴胺能神经元的分化过程主要有四个阶段：1、胚胎干细胞在转录因子Ascl1、Lmx1a/b、Ngn2、En1/2、Nurr1和Pitx3等的协同作用下被诱导为神经干细胞。2、神经干细胞中基因进行特异性表达，进一步分化为多巴胺前体细胞。3、生长发育生成早期的未成熟的多巴胺神经元。4、转录因子作用于多巴胺神经元特异性酪氨酸羟化酶（TH）和多巴胺转运蛋白（DAT）基因的表达，促使多巴胺神经元成熟。
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之后研究人员基于遗传谱系示踪技术，了解到神经元分化过程中转录因子的调控网络，目前已开发出多种方法将成纤维细胞直接转分化为DA神经元。直接转分化获得神经元主要是通过基因组DNA的表观遗传修饰，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体定位以及抑制和刺激关键调节基因来实现的。目前主要方法有以下四种：1、过表达转录因子。2、基于RNA的转录因子调节。3、转录因子与小分子化合物或其他物理因素结合共同作用。4、基于蛋白质的表观遗传修饰诱导。小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）和人源成纤维细胞是当前研究人员最常用的启动细胞。
2006年，研究人员首 次通过逆转录病毒介质过表达四个转录因子，即Oct3/4, Sox2, Klf4, and c-Myc，将小鼠的皮肤成纤维细胞转分化为诱导DA神经元。2007年，Yamanaka和Thomson实验室的研究报告表明，通过逆转录病毒转染OCT3/4, SOX2, KLF4, and c-MYC or lentiviral- mediated介质过表达OCT4, SOX2, NANOG,LIN28四个转录因子成功将人类成纤维细胞转分化为诱导DA神经元。研究人员报告称，由于成人大脑是由神经前体细胞或神经干细胞分化而来的各种神经元组成，内部环境十分复杂，现有的模型并不能模拟出体内的神经元状态，模型匹配性较差，研究结果十分不理想。
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另外，在直接转分化的分子作用机制上，作者总结了转录因子的作用、转录组的调节网络以及细胞过渡不同阶段的表观遗传修饰。目前可以通过过表达特定的转录因子、miRNA或者与化合物组合调节Wnt, Notch,和 JAK/STAT信号通路刺激或抑制遗传表观基因的表达来获取诱导多巴胺神经元。考虑到外源转录因子基因可能会整合到宿主细胞的基因组中，诱导基因突变，研究人员表示以后的直接转分化可以利用episomal质粒取代病毒载体来表达特异性转录因子，无需经过转基因整合。此外，使用RNA、miRNA、蛋白质或者小分子化合物来实现直接转分化获取多巴胺神经元也是一种安全方法。
虽然直接转分化不需要经过多能干细胞状态，不会有肿瘤形成的风险，在神经退行性疾病的药物筛选和移植治疗方面具有巨大潜力，但就目前而言，直接转分化效率低下，移植后细胞存活率低，在实际研究应用中仍具有一定困难。对此，作者表示，随着对分子机制和信号通路的更加深入的了解，未来将会开发出更高效的直接转分化方法和细胞分离纯化技术，以制备大量的诱导神经元和多巴胺神经元，这些神经元更接近其自然状态，为临床治疗PD和其他神经退行性疾病研究提供充足的神经细胞模型。
宁波易赛腾生物科技有限公司 李福云编译
原文链接：
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8515543/
