背景：
由转录因子(TFs) Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc (OSKM)介导的多步骤体内重编程过程，为恢复活力和再生策略的发展带来了巨大的希望。然而，迄今为止开发的大多数方法都伴随着持续的致瘤性风险。
简介：
2023年8月28日，来自法国里昂大学的Fabrice Lavial教授课题组在Trends in Cell Biology（IF: 19.0）杂志上发表题为“Cellular plasticity in reprogramming, rejuvenation and tumorigenesis: a pioneer TF perspective”的文章[1]。在本文中，作者回顾了体内重编程的突破性影响，特别关注恢复和再生。作者讨论了TFs的活性如何产生细胞可塑性，这可能不仅对诱导重编程和再生，而且对癌症的发生至关重要。最后，强调了如何更好地理解重编程过程中细胞身份、可塑性和衰老的不耦合控制，可能为以非致瘤方式开发恢复活力/再生策略铺平道路。
主要结果：
体内重编程可触发返老还老并改善再生。
在体内可以实现多能性重编程和iPSCs的生成，这表明微环境不足以限制OSKM的作用。详细地说，OSKM的普遍表达触发了不同器官(胰腺、肾脏、肠道、脂肪组织、肝脏、颅内、胃和心脏)分化畸胎瘤的形成，揭示了多种细胞类型能够以不同的动力学进行重编程。虽然细胞中间产物的出现在体外已经有了很好的记录，但体内重编程的分子步骤和调节因子在很大程度上仍然未知。最近对体内胰腺细胞重编程的分析表明，体内也出现了易于或难以重编程的细胞中间体。难治性簇含有高活性的TF家族AP-1，这与这些因子在体外的屏障作用一致。衰老还通过旁分泌多种分子(包括IL-6)促进体内重编程。相比之下，自然杀伤细胞(NK)通过靶向重编程细胞来限制这一过程，这些细胞上调NK激活配体(MULT1, ICAM1和CD155)，结合NKG2D受体。
最近的一项工作也探讨了OSKM对体内特定细胞类型的再生的影响。成年哺乳动物心肌细胞(CMs)增殖能力差，再生能力低。OSKM在成年CMs中的特异性短表达(6-12天)将其重新编程为胎儿状态。此外，在心肌梗死之前或期间，OSKM的表达通过预先存在的CMs的增殖改善了心脏修复。OSKM的作用依赖于CMs的发育阶段。它可以在新生儿CMs中维持不成熟的增殖状态，而在成年CMs中允许获得有丝分裂能力状态。此外，在青光眼昏迷模型和老年小鼠中，研究人员发现小鼠视网膜神经节细胞中的OSK表达可以恢复年轻时的DNA甲基化/转录组模式，并逆转视力丧失。循环OSKM表达也诱导中枢神经系统的年轻化。它恢复了老年小鼠齿状回成年海马神经元的迁移，并与部分认知功能的改善有关。
图1：重编程不仅可以引发返老还童，还可以引发癌症的发展
致瘤性风险与体内重编程有关。
多能重编程和致癌转化在分子上有相似之处。最近比较了胰腺中oskm介导的重编程和K-Ras驱动的转化的基因特征，揭示了一些共同的转录组特征。小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)单细胞水平重编程和转化路线图的比较表明，OSKM和致癌基因K-Ras/c-Myc诱导的早期共享表观遗传程序存在。
在探索这些类比的同时，体内重编程的内在致瘤性问题仍在争论中。如前所述，整个过程最终导致畸胎瘤的形成，但这些良性肿瘤的发展仅仅反映了多谱系分化潜力的获得。然而，先驱研究报告了当重编程被诱导，但在达到多能性(OSKM表达7天后)之前过早取消时，在各种器官中发生恶性肿瘤。驱动这种致瘤性发展的分子机制仍然不完全确定，但一些参数是有影响的。
图2：先锋转录因子(TF)在重编程和转分化中的活性
重编程产生细胞可塑性。
之前的结果表明，OSKM可以产生表观遗传变化，导致细胞获得不希望的表型，潜在地导致恶性肿瘤。与此一致，最近来自单细胞方法的见解表明，体外重编程是在一系列分岔决策中执行的，其中重建轨迹上的每个点对应于具体的细胞决策。
第一次分叉导致细胞呈现“难分化”的基质命运或“易分化”的间充质-上皮转变(MET)命运，后者主要产生重编程细胞。值得注意的是，重编程的轨迹依赖于起源的细胞类型和鸡尾酒因子。相比之下，研究人员发现，晚期分叉会产生一系列不同的细胞命运，比如人类和小鼠细胞中的神经和胚胎外谱系。有趣的是，异常基因诱导最初是在先驱体RNA测序分析中报道的，但被认为是无序的基因表达。单细胞技术的进步表明，它们与真正的细胞命运决定相对应。尽管如此，这些替代途径似乎主要不存在于化学介导的重编程中，这表明先锋tf的使用(见下一节)可能是细胞可塑性异常获得的原因。最近报道了在人类真皮成纤维细胞的OSKM重编程过程中出现了一群“滋养外胚层样”细胞。
图3：先锋转录因子(TF)在发育、再生和癌症发生过程中的作用
在重编程过程中，解耦细胞身份、可塑性和衰老。
重编程的突破性效果及其固有的致瘤风险促使研究人员更好地剖析该过程的早期步骤。最近的研究破译了细胞身份、可塑性和衰老在重编程过程中被调节的序列。研究发现，根据使用的重编程因子(Ascl1、MyoD1、FoxA2、Sox2或Oct4)，成纤维细胞身份抑制通过不同的机制发生，但没有普遍的原理出现，这突出表明存在不同的进入点来消除细胞身份。证实了细胞起源层与TF之间的特殊关系，并发现中胚层因子Myod1对成纤维细胞特性的抑制作用最强。因此，在可能的情况下，治疗性细胞转化最好限于相关细胞类型。另一个结论是，细胞命运转换并不随着重编程因子表达水平的增加而逐渐扩大，而是取决于一个关键的表达阈值。这表明存在一个最佳的、细胞类型特异性的重编程因子水平，这足以进行重编程，也可以最大限度地降低失败和/或致瘤性的风险。与此相一致的是，最近早期细胞中间体的发现使研究人员能够解开MEF重编程过程中细胞身份和可塑性的调节。这些早期中间体已经非常容易产生iPSCs，即使它们的MEF身份评分尚未显著降低。这些罕见细胞的多组学特征揭示了由bHLH TF Atoh8驱动的分区调控网络的存在，该网络专门控制细胞可塑性。
OSKMLN对人类成纤维细胞和内皮细胞表观遗传时钟的影响也被描述为发生在细胞身份的表观遗传改变之前，这表明在保持细胞身份的同时可以实现返老还老。相比之下，在原代脂肪干细胞和间充质干细胞中诱导部分重编程时，发现体细胞身份暂时受到抑制。
诱导改变表观基因组(ICE)成纤维细胞中的OSK表达恢复了与年龄相关的mRNA变化和表观遗传年龄，而不影响细胞身份。相比之下，在人类成纤维细胞中的研究表明，如果重编程分为三个阶段(起始、成熟和稳定)，那么再生可以被推进到成熟阶段，在成熟阶段实现完整的多能性程序。
图4：体内重编程研究的挑战
结论和展望：
对OSKM介导的体内重编程的探索为鉴定用于治疗目的的控制再生和衰老的途径和/或分子提供了一个很好的机会，即使主要的限制仍然存在。首先，体内重编程的研究并不多，大多数发现仍然依赖于体外工作。因此，在接下来的几年里，应该深入探索体内早期重编程的原理。与此相一致，限制体内重编程效率的多种自分泌和旁分泌障碍仍有待确定。此外，细胞类型和器官特异性重编程敏感性的分子基础仍然不完全清楚。不同研究的结果很难比较，因为重编程鸡尾酒的性质和暴露的持续时间往往不同。在细胞年轻化方面，未来的研究还应系统地评估编程对细胞年轻化的功能和生理影响。年轻基因表达模式的部分恢复是有限的，可能与衰老表型的功能恢复没有显著相关性。确定哪种程度的转录组和表观基因组逆转需要实现功能效果将是至关重要的。在单细胞水平上探索各种器官的表观遗传景观对OSKM的响应需要谱系追踪工具的发展。此外，集中研究被描述为难以重编程的器官和/或细胞类型可能对识别内源性屏障感兴趣。例如，最近在各种经历衰老或卡路里限制(CR)的组织中建立了全面的单细胞转录组图谱。
一个引人入胜的问题是OSKM，或替代分子，是如何触发生物体年轻化的。一种假设是，这些因素以胚胎的方式在全球范围内重新连接染色质景观，因此，消除了由衰老引起的表观遗传侵蚀。与此相一致，最近的研究表明，衰老过程中的异染色质丢失导致衰老细胞中长间散核元素(LINE)的降低。在这种情况下，LINE-1通过调节组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶抑制变异3-9同源物1 (Suv39h1)的活性导致异染色质侵蚀。同时，LINE-1在着床前胚胎中表达量高，在着床前调节转录和发育潜能。最近发现，在不同的类早衰综合征患者真皮成纤维细胞中，LINE-1 RNA的缺失可以在体外恢复异染色质H3K9Me3/H3K27Me3标记和逆转DNA甲基化年龄。另一种有趣的可能性是，成年细胞编码、储存和恢复年轻时的表观遗传信息，以响应先锋TF表达或化学物质。基于衰老过程中染色质修饰剂的“再定位”理论，对OSKM如何触发哪些染色质修饰剂的组织机制仍有待研究。
原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0962-8924(23)00157-5
参考文献：
[1] Huyghe A, Trajkova A, Lavial F. Cellular plasticity in reprogramming, rejuvenation and tumorigenesis: a pioneer TF perspective. Trends Cell Biol. 2023 Aug 28:S0962-8924(23)00157-5. doi: 10.1016/j.tcb.2023.07.013. Epub ahead of print. PMID: 37648593.
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