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1、诱导性多功能干细胞 研究进展赵 博 生 n2006年，日本京都大学的Yamanaka教授在 细胞（Cell）上发表了具有里程碑意义的文 章，详细介绍了其用四个因子（Oct3/4、 Sox2、Klf4和c-Myc）将小鼠成纤维细胞逆转 为类似多能干细胞的研究工作及结果，从此开 创了iPS时代。 niPS技术 2008年荣登Science十大科技 进展榜首 。一、细胞核重编程n细胞核重编程指的是细胞内的基因表达由一种类型变 成另一种类型。通过这一技术，可以在同一个体上将 较容易获得的细胞（如皮肤细胞）类型转变成另一种 较难获得的细胞类型（如脑细胞）。这一技术的实现 将能避免异体移植产生的免疫排斥反
2、应。在受精卵发 育成一个成熟个体的过程中，特定类型的细胞一般都 是沿“单行道”形成。随着发育的不断进行，这些细 胞就会逐渐失去可塑性，成为不可逆的某一特定类型 细胞。例如，一个皮肤细胞不会自动地转变成为一个 脑细胞，而小肠细胞也不会转变成心脏细胞。然而， 却有一些实验方法可以使不同类型细胞之间的转换成 为可能。这些方法都是利用细胞核重编程的原理，也 就是说让一种类型细胞的核基因表达转变成为胚胎细 胞或者其它类型细胞的状况。 这一机制引起了科学界的广泛兴趣 1. 卵细胞和卵母细胞的核移植n将一个活细胞核成功地移植到已经去核的蛙卵 中的实验，首次证明可以通过实验方法来逆转 细胞的分化状态。Brig
3、gs和King首次成功实现 通过移植Rana pipiens的囊胚细胞核产生会游 动的蝌蚪。但是，他们发现如果移植的是处于 胚胎发育较晚阶段（肠胚）的细胞核，就会出 现非正常发育现象。于是，他们提出细胞分化 可能涉及不可逆转的细胞核转变。 n不久之后，有人在南非青蛙Xenopus laevis上 进行了相似的实验。按照同样的实验方法，他 们发现即使用于移植的核是来自于完全分化的 细胞，也能得到发育完全正常并且具有生育能 力的雄性和雌性青蛙，在该实验中是供体蛙的 小肠上皮细胞。这些实验结果告诉人们，细胞 分化是可以被完全逆转的，并且不可逆的细胞 核变化是非必须的。 这一领域的突破来自 于多利羊的
4、实验。 2. 细胞核重编程的效率n实现卵细胞诱导的完全重编程的公认标准是产生一个包含 任何一种细胞类型（被定义为全能性）并且具有生育能力 的成体个体。 3. 细胞核重编程的机理n用卵子进行细胞核重编程值得关注的一个地方 是卵子具有以100的效率重编程已经定向分 化了的精子细胞核的能力。我们需要解决的问 题是为什么重编程能够成功实现？而又是什么 因素常常导致这一过程的失败，即便是在使用 卵子细胞的情况下？n有人利用卵母细胞（第一次减数分裂早期的雌性生殖 细胞，是产生卵子的前体细胞）探索了卵细胞（处于 第二次减数分裂中期）的重编程机制。许多移植进卵 母细胞生殖泡的哺乳动物体细胞核被直接重编程而表
5、达干细胞标志基因，包括Oct4, Nanog和Sox2。在卵 母细胞内进行的细胞核重编程不会产生新的细胞，但 是与卵子相反的是，这一过程的发生既不需要细胞分 裂，也不需要蛋白质的合成。与这个重编程伴随而生 的机制包括：异染色体的开放；分化标记，如DNA甲 基化的去除；组蛋白修饰以及组蛋白交换等等。这些 机制发生的基础是，受精卵拥有能引起上述效应的高 浓度特定蛋白。如果卵子的蛋白能够在几秒或几分钟 的时间内被交换到移植进来的体细胞核的话，那么完 全重编程就应该总会发生。n但是，这个概念却和另一个事实相悖，那就是 卵子常常不能完全重编程植入其中的体细胞核 。如果以上所说的染色体蛋白迅速交换适用于
6、卵子里用来重编程受精卵的细胞核的话，在卵 细胞第一次分裂之后，蛙类细胞就会需要一定 的时间，并且哺乳动物细胞需要更多的时间去 完成彻底的重编程。但这通常不会发生。一个 可能的原因是移植进来的细胞核携带了供体细 胞的表观遗传学记忆。例如，在肌肉细胞里取 出的细胞核，用于重编程后，在重编程的胚胎 里发育出来的神经或其它非肌肉细胞里还会强 烈的表达与肌肉相关的基因。 4. 细胞融合与细胞提取物n我们可以从上述这些实验中得到一些重要的结 论。其一，细胞核的涨大和染色体的去染色质 化会发生在基因表达谱的重编程之前。其次， 新的基因表达谱并不依赖于供体基因表达谱的 退去或者细胞分裂。所以上述这些都不是重编
7、 程所必需的。 5. 诱导多能性n该领域一个惊人突破发生在2006年， Takahashi和Yamanaka发现向小鼠成体成纤 维细胞里转入四个基因（Oct4、Sox2、c-Myc 和Klf4）以后，这些细胞能被诱导成为具有胚 胎干细胞特征的细胞。后来引入Nanog表达的 筛选系统后，得到的干细胞移植到具有免疫耐 受能力的受体胚胎时，还显示出参与发育的能 力。因此可以证明它们是具有多能性的，所以 叫做诱导性多能干细胞，或称iPS细胞。 6. 品系转变n通过外源表达基因来改变细胞的分化类型在很 多年前就由Weintraub发现“主导基因”MyoD后 提出了。过表达这个在肌肉细胞里特异表达的 转录
8、因子就足以将一系列非肌肉细胞转变成为 肌肉细胞了。然而，在其它一些类型的非肌肉 细胞里，这种转变只是暂时的，或者根本就无 法观察到。在观察到肌肉样的细胞出现之前， 在好几个细胞世代里对外源MyoD表达的选择 是必需的。一旦转变成为肌肉细胞以后， MyoD就会激活自身的持续表达，外源MyoD的 过表达就不再是必需的了。用腺病毒 转入三个 通常为胰 岛细胞分 化所需的 转录因子 ：Pdx1、 Ngn3和 MafA后， 就能够将 20的成 功转染的 外分泌细 胞转变成 能产生胰 岛素的细 胞。 7. 蛋白质DNA的相互作用和飞 速逃逸n细胞分化的两个基本特征影响着我们对细胞核 重编程的理解 。n一个
9、是每种细胞似乎都表达着一些决定它们分 化状态的基因，这一特征在细胞融合实验中尤 其明显。因此，肌肉细胞就会通过自激活高水 平的例如MyoD这样的基因去维持自身的状态 。这样，细胞越大，或者越像胚胎干细胞，它 就会拥有更多“自我重编程”分子。因此，卵子 在没有添加外源因子的情况下也很容易被重编 程。 n第二个基本特征是当细胞的分化程度变得越高，通过 外源基因来重塑表达谱就变得越困难。当细胞开始它 们的终末分化道路时，分化的细胞状态变得越来越牢 固，并且堵上其它不恰当的分化途径。掌握这个理论 成为这一研究领域的一个巨大挑战，并且大量的信息 化工作已经在DNA和组蛋白层面上展开了。一个普遍 的假说就
10、是“快速逃逸”策略。我们提出在非活性转录 基因的调控区，DNA和组蛋白的结合会变得越来越紧 密。虽然大多数的蛋白质会以几秒钟或几分钟一次的 频率解离与之结合的DNA，并且在一些特殊情况还需 要更长的时间，一个由多组分组成的蛋白复合物则可 能会在DNA上拥有很长的逗留时间。因此，一个蛋白 复合物的所有组分都刚好解离DNA，并且让重编程因 子结合上去的几率非常小。在胚胎干细胞里，大多数 基因（在分化的细胞里这些基因是具有活性的基因） 就会处于一种去浓缩的状态，使大蛋白复合物具有较 短的逗留时间。n根据这个假说，无论是通过核移植、细胞融合 、iPS，还是转分化来实现的重编程的发生几 率都依赖于统计学上DNA调控区域的可进入程 度、作用时间、转录本的浓度和其它调控因子 。体积大并且拥有大量调节因子的细胞，如卵 子和肌肉管，就会像其它通过实验增强转录因 子浓度的细胞一样容易被重编程。未来，一个 重要的突破就是要掌握为何分化后细胞的细胞 核比胚胎细胞的细胞核更难以重编程。这可能 涉及到了组蛋白去浓缩化的解释。8. 展望未来
