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1、诱导性多功能干细胞ips的研究进展与应用前景 诱导性多潜能干细胞的研究进展和 应用前景 学号:201111630 姓名:李明君 1 Abstract Recent reports demonstrate that mouse somaticcells can be directly reprogrammed into pluripotentembryonic stem (ES) cell-like cells byin vitro introduction of four transcription factors, Oct4, Sox2, c-Myc and Klf4. These cell
2、s aredesignated as induced pluripotent stem (iPS) cells. Similarly, the transfection with these fourtranscription factors or a cocktail of Oct4, Sox2, Nanog and LIN28 has been shown to be sufficientto reprogram human somatic cells to iPScells that are indistinguishable from human EScells. Since reac
3、tivation of the c-Myc transgenehas been reported to increase tumorigenicityin the chimeras and progeny mice, amodifiedprotocol with only three factors (Oct4, Sox2 andKlf4) has been recently used to make mouse andhuman iPS cells fromadultdermalfibroblasts. Differentiated somatic cells can be directly
4、 reprogrammed into induced pluripotent stem ( iPS) cells in vitro. Similarly to embryonic stem ( ES) cells,iPS cellshavepluripotency to differentiate into allcell types and capability toself-renew themselvesindefinitely. Without immune rejection and ethical issues,patient-specific iPS cells promise
5、to be an ideal tool for regenerative medicine,drug screening,and toxicity testing. 摘要 研究证实采用体外导入Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4等4个转录因子可将小鼠体细胞直接重构成为ES细胞样的多潜能细胞, 这类细胞被命名为诱导性多潜能干细胞(iPS细胞). 同样,转染上述因子或Oct4、Sox2、Nanog、LIN28等4个因子也能够使人类体细胞重构为iPS细胞, 后者与人类ES细胞的基本特征相似. 据报道, 由于转染基因c-Myc的重新激活可使嵌合体和子代小鼠的肿瘤发生增加, 故近期建立了一种仅使用3
6、个因子(Oct4、Sox2和Klf4)的改良方案, 也可将成年小鼠和成人皮肤成纤维细胞诱导转化为iPS细胞. 近期文献资料表明, 人类iPS细胞系对于制备疾病的新模型和药物研究有帮助, 但其用于移植治疗的应用前景则需要进一步加以考证. 分化成熟的体细胞可在体外被重编程为诱导性多潜能干细胞,后者具有与胚胎干细胞相似的自我更新能力和发育多潜能性,同时避免了免疫排斥和伦理问题。患者特异性的诱导性多潜能干细胞将成为再生医学、药物筛选毒理测试的理想工具。 2 关键词: 基因转染; 体细胞重构; 干细胞; 转录因子 0引言 干细胞(stem cells)是人体及其各种组织细胞的初始来源, 其最显著的生物学
7、特征是既有自我更新和不断增殖的能力, 又有多向分化的潜能.干细胞根据不同的来源分为成体干细胞(somaticstem cells)和胚胎干细胞(embryonic stem cells, ES细胞). 成体干细胞包括骨髓间充质干细胞、胰腺干细胞、神经干细胞等成体组织中存在的干细胞, 理论上在特定条件下可分化为特定的组织器官, 是修复和再生的基础. ES细胞是从着床前的早期胚胎(囊胚)内细胞团中分离得到的一种二倍体细胞, 理论上具有发育和分化成为机体内几乎所有组织细胞类型的潜能. 治疗性克隆是开展ES细胞研究的终极目标, 但有关ES细胞和治疗性克隆的研究一直存在激烈的伦理学争论. 近1年来, 为
8、避开伦理学争论, 国外学者通过体细胞体外基因转染技术建立诱导性多潜能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS细胞)系. Hanna et al 近期已经进行了iPS细胞应用基础研究的首次尝试, 利用人类镰状细胞性贫血的小鼠动物模型, 取其尾尖部皮肤的成纤维细胞,通过导入Oct4、S o x 2 、K l f 4 及c-Myc基因, 获得自体iPS细胞. 干细胞分为成体干细胞和胚胎干 (ES)细胞, ES细胞是从囊胚内细胞团中分离得到的一种二倍体细胞,具有发育和分化成为机体内几乎所有组织细胞类型的潜能. 但ES细胞的研究一直存在激烈的伦理学争论, 为避开伦理
9、学争论, 国外学者通过体细胞体外基因转染技术建立诱导性多潜能干(iPS)细胞系. 1 胚胎干细胞研究的新进展、应用前景及面临的困难 1999年12月，Science杂志公布了当今世界科学发展的评定结果，干细胞的研究成果名列十大科学进展榜首。胚胎干细胞研究的科学价值在于其诱人的应用前景。如果最终能够成功诱导和调控胚胎干细胞的分化与增殖，将对胚胎干细胞的基础研究和临床应用带来积极的影响，使之有可能在以下领域发挥重要作用。 a揭示人及动物的发育机制及影响因素 3 生命最大的奥秘便是人是如何从一个细胞发展为复杂得不可思议的生物体的。人胚胎细胞系的建立及人胚胎干细胞研究，可以帮助我们理解人类发育过程中的
10、复杂事件，使人深刻认识数十年来困扰着胚胎学家的一些基本问题，促进对人胚胎发育细节的基础研究。人胚胎干细胞的体外可操作性，可以一种伦理上可接受的方式，提供在细胞和分子水平上研究人体发育过程中极早期事件的方法。这种研究不会引起与胎儿实验相关联的伦理问题，因为仅靠自身胚胎干细胞是无法形成胚胎的。 b. 药学研究方面 胚胎干细胞系可分化为多种细胞类型，又是能在培养基中不断自我更新的细胞来源。它发展为胚体后的生物系统，可模拟体内细胞与组织间复杂的相互作用，这在药物研究领域具有广泛的用途。胚胎干细胞有望在短期内就能体现的优势在于药物筛选中。目前用于药物筛选的细胞都来源于动物或癌细胞这样非正常的人体细胞，而
11、胚胎干细胞可以经体外定向诱导，为人类提供各种组织类型的人体细胞，这使得更多类型的细胞实验成为可能。虽不会完全取代在整个动物和人体上的实验，但会使药品研制的过程更为有效。当细胞系实验表明药品是安全的且效果良好，才有资格在实验室进行动物和人体的进一步实验。 在候选药物对各种细胞的药理作用和毒性试验中，胚胎干细胞提供了对新药的药理、药效、毒理及药代等研究的细胞水平的研究手段，大大减少了药物检测所需动物的数量，降低了成本。另外，由于胚胎干细胞类似于早期胚胎的细胞，它们有可能用来揭示哪些药物干扰胎儿发育和引起出生缺陷。人胚胎干细胞还可以用于其它用途。由于这类细胞本质上可以无限量地产生人体细胞，它们对于旨
12、在发现稀有人蛋白的研究计划理应有用。国际上许多制药公司、学者都瞄准了这一重要的研究领域。 c. 细胞替代治疗和基因治疗的载体 胚胎干细胞最诱人的前景和用途是生产组织和细胞，用于“细胞疗法”，为细胞移植提供无免疫原性的材料。任何涉及丧失正常细胞的疾病，都可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来治疗。如用神经细胞治疗神经退行性疾病(帕金森病、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病等)，用胰岛细胞治疗糖尿病，用心肌细胞修复坏死的心肌等。 4 胚胎干细胞还是基因治疗最理想的靶细胞。这里的基因治疗是指用遗传改造过的人体细胞直接移植或输入病人体内，达到控制和治愈疾病的目的。这种遗传改造包括纠正病人体内存在的基
13、因突变，或使所需基因信息传递到某些特定类型细胞。 当然，干细胞技术的最理想阶段是希望在体外进行“器官克隆”以供病人移植。如果这一设想能够实现，将是人类医学中一项划时代的成就，它将使器官培养工业化，解决供体器官来源不足的问题；使器官供应专一化，提供病人特异性器官。人体中的任何器官和组织一旦出现问题，可像更换损坏的零件一样随意更换和修理。 1981年, ES细胞的分离和培养首先在小鼠中获得成功, 是至今研究最广泛、最成熟的干细胞体系. 随后, 牛、羊等大动物的ES细胞分离和培养也相继获得成功. 1995年, 美国威斯康辛大学Thomson et al 从恒河猴囊胚中分离并建立了第一个灵长类的ES细
14、胞系. 1998年, 该研究小组从体外受精形成的囊胚中首次分离并建立了人类ES(hES)细胞系, 由此推动了干细胞研究热潮的兴起. hES细胞具有以下特征; (1)体外扩增培养条件下具有强大的增殖能力, 并且保持稳定的正常二倍体染色体核型和带型; (2)具有较高的端粒酶活性和碱性磷酸酶表达; (3)具有转录因子Oct4的表达; (4)具有阶段特异性胚胎抗原-3(stage-specific embryonic antigen-3, SSEA-3)、SSEA-4等特异性表面抗原的表达; (5)具有分化的多潜能性, 将hES细胞注射到小鼠皮下可形成畸胎瘤, 其中含3个胚层的组织细胞. 上述特征可用
15、于hES细胞建系的鉴定. 治疗性克隆是指采用体细胞核转移(somaticcell nuclear transfer, SCNT)技术将患者体细胞核与供体去核卵母细胞重构形成克隆囊胚, 分离带有患者基因型的hES细胞, 进而在体外诱导分化为特定的自体组织细胞用于疾病治疗. 治疗性克隆是开展hES细胞建系和诱导定向分化研究的根本意义所在. 2004年, 韩国首尔大学黄禹锡et al 报道利用SCNT技术获得人类克隆囊胚来源的hES细胞系, 通过该技术方案可制备患者特异性的ES细胞, 但这些研究结果后来被证实为学术造假. 2007-11-22, 美国科学家Mitalipov领导的研究团队报道采用纺锤
16、体显像系统直视下的改良SCNT技术建立猕猴ES细胞系, 这是在灵长类动物中通过克隆技术成功建立ES细胞系的首次报道, 说明SCNT的关键技术难题在非人灵长类中已经被破解. 2008-2-21, French et al报道采用传统的抽吸或挤压去核方法的SCNT技术, 将青年女性的去核卵母细胞与成人男性成纤维细胞的细胞核进行 5 融合, 从而建立了人类克隆胚胎, 其中发育成为囊胚的比率为23%.然而, 在所建立的5个克隆囊胚中, 只有1个囊胚被证实同时具有供体细胞核的基因组DNA和卵母细胞的线粒体DNA, 另外2个囊胚仅被证实具有供体细胞核的基因组DNA. 此外, 该研究小组目前尚未建立相应的hES细胞系
