重編程和可誘導(dǎo)的多潛能干細胞

重編程和可誘導(dǎo)的多潛能干細胞關(guān)鍵詞：成纖維細胞維生素c北京標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)在植物細胞的全能性得到證實后.人們自然而然地猜測動物細胞是否也存在全能性。實驗證明，全能性在動物細胞中的體現(xiàn)不如植物細胞明顯。卵細胞(未受精)是動物體全崔，最高的細胞。隨著細胞分化程度的提高，動物細胞的全能性逐漸受到限制。分化潛能變窄.但是，它的細胞核仍然保持著全能性，因為細胞核內(nèi)含有保持物種遺傳性所需的全套基因組DNA。早期的研究發(fā)現(xiàn)，可以將動物成體細胞重編程(reprogramming)，方法是將體細監(jiān)細胞核以顯微注射或電擊的方法注入去核的卵細胞中.再將其繼續(xù)培養(yǎng)到囊胚期。1952年-Briggs和King發(fā)明了核移植的方法，將囊胚細胞的核移植到去核的青蛙卵細胞中；而20世紀60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移植及1997年克隆羊多莉的出現(xiàn)，證明了高等動物體細胞的細胞核具有發(fā)育全能性。體細胞克隆動物的成功表明，盡管體細胞的分化程度高，可塑性低，但在適當(dāng)?shù)臈l件下，以受精卵或卵細胞為受體，通過核移植后對體細胞核的重新編程，依然能發(fā)育成完整的個體。重編程(reprogramming)的目標(biāo)是誘導(dǎo)已經(jīng)分化的細胞退回到多潛能狀態(tài)(pluripotency)，然后再分化成幾乎所有的細胞類型。自然狀態(tài)下重編程就是全能性的受精卵發(fā)育分化成所有細胞類型。以往的研究認為，干細胞一旦分化后，不能轉(zhuǎn)變到其早期的分化階段，然而，誘導(dǎo)性多潛能干細胞的發(fā)現(xiàn)，說明有一種內(nèi)在的機制，能夠?qū)⒁呀?jīng)分化的細胞的“十”性(stemness)調(diào)整到像胚胎干細胞的多潛能狀態(tài)(ESC—likeplurtpotentstate)。干細胞的“干"性指的是干細胞自我更新的能力以及多潛能，即能分化成胚胎的三個胚層所代表的組織和細胞類型的能力。從體細胞誘導(dǎo)產(chǎn)生多潛能干細胞可以通過過表達特定的轉(zhuǎn)錄因子來實現(xiàn)。2006年日本京都大學(xué)山中伸彌在世界著名學(xué)術(shù)雜志《細胞》上率先報道了這方面的研究。他們把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4這四種轉(zhuǎn)錄因子基因克隆入病毒載體，然后引入小鼠成纖維細胞，發(fā)現(xiàn)可誘導(dǎo)其發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的細胞在形態(tài)、基因和蛋白質(zhì)表達、表觀遺傳修飾狀態(tài)、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎干細胞相似，故被稱為誘導(dǎo)的多潛能干細胞。2007年，Thompson實驗室和山中伸彌實驗室?guī)缀跬瑫r報道，利用iPS技術(shù)同樣可以誘導(dǎo)人皮膚纖維母細胞成為幾乎與胚胎干細胞完全一樣的多潛能干細胞。所不同的是日本實驗室依然采用了用逆轉(zhuǎn)錄病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4四種因子組合-而Thompson實驗室采用了以慢病毒載體引入Oct4、Sox2、Nanog和LIN128。細胞多潛能狀態(tài)的維持離不開該狀態(tài)下基因表達譜的維持以及對應(yīng)的細胞內(nèi)過程。有三個轉(zhuǎn)錄因子OCT4、SOX2和NANOG在掌控這種狀態(tài)時起重要作用。通過激活或抑制大量基因的表達，OCT4在發(fā)育以及多潛能性的維持上有核心作用。事實上，細胞缺失了OCT4后就不再能處于多潛能狀態(tài)。SOX2在干細胞的自我更新中起作用，但并不只限于在多潛能細胞中表達。SOX2需要輔助因子才能穩(wěn)定地結(jié)合DNA，通常情況下，SOX2與OCT4形成異源二聚體，同時SOX2可以使OCT4的表達處于一個合適的水平來維持多潛能性。在發(fā)育過程中，NANOG表達于多潛能細胞的內(nèi)細胞團中。如果在已經(jīng)獲得多潛能狀態(tài)的細胞中NANOG缺失，細胞仍舊能表現(xiàn)出很多干細胞的特征，推測NANOG的主要作用可能在獲得多潛能性方面。這三個轉(zhuǎn)錄因子在不同的水平上對細胞的多潛能性發(fā)揮作用。并且，這三個轉(zhuǎn)錄因子都能結(jié)合到自身基因的啟動子上，對自身的轉(zhuǎn)錄起調(diào)控作用。SOX2和OCT4一起還能調(diào)控NANOG的表達。讓普通體細胞進行“初始化”，使其具備干細胞的功能，即是“iPSC”°iPSC具有和胚胎干細胞相類似的功能，因此不需要制造胚胎，就可以從任何組織的細胞甚至皮膚組織的細胞中制造出具有干細胞功能的細胞，相比于人胚胎干細胞在倫理上的問題，這種通過轉(zhuǎn)錄因子的組合重編程的方法的單純性給再生醫(yī)學(xué)打開了全新的視野。干細胞廣泛應(yīng)用的前提是明確其自我更新和定向分化的調(diào)控機制。重編程回避了在再生醫(yī)學(xué)中從胚胎取材的問題，而直接用病人身上已經(jīng)分化的細胞。從臨床的角度看，這在避免倫理問題的同時，也在一定程度上避免了免疫排斥。然而，這種技術(shù)也需要關(guān)注原癌基因的引入所造成的對基因組帶來的不利影響及潛在的致癌風(fēng)險。目前的技術(shù)水平已經(jīng)成功地從所獲得的誘導(dǎo)多潛能干細胞中移除這些基因。有研究人員用帕金森氏癥患者的皮膚細胞，通過上述方法培育出誘導(dǎo)多功能干細胞后，叉成功將其培育成為多巴胺神經(jīng)元細胞，而多巴胺神經(jīng)元細胞是帕金森氏癥患者大腦中所缺少的一種細胞。因此，相關(guān)成果有望為帕金森氏癥的治療研究帶來福音。另有研究發(fā)現(xiàn)，從多潛能干細胞分化而來的運動神經(jīng)細胞與人體胚胎干細胞分化而來的運動神經(jīng)細胞，在功能和效率上看上去十分相似。如果它們之間的相似性最終得以認定，該新成果將為利用病人特定細胞治療其神經(jīng)系統(tǒng)疾病開創(chuàng)新的方法。日本京都大學(xué)教授山中伸彌開發(fā)的iPS細胞培養(yǎng)方法成為世界首個獲得批準(zhǔn)的iPS細胞相關(guān)專利。蹦前在培育iPS細胞時，需要依靠逆轉(zhuǎn)錄酶病毒或慢病毒將基因?qū)梭w細胞，而使用病毒載體有可能引發(fā)腫瘤形成。此外，每次實驗前都要制作新的病毒載體，對操作過程和實驗室的管理要求很嚴格，這都阻礙著iPS細胞技術(shù)的普及。山中伸彌教授的研究小組成功使用兩個質(zhì)粒分別運載不同的基因，然后把兩個質(zhì)粒同時導(dǎo)人實驗鼠胚胎成纖維細胞，成功培育出了iPS細胞。用這種方法培養(yǎng)的iPS細胞與以往的iPS細胞一樣能分化生成表皮、橫紋肌和神經(jīng)組織等多種細胞，但其轉(zhuǎn)化效率比以逆轉(zhuǎn)錄酶病毒為載體要低一些。我國學(xué)者裴端卿的研究小組發(fā)現(xiàn)，維生素c能夠?qū)⒃让?萬至1O萬個細胞才能有1個細胞轉(zhuǎn)化為多潛能干細胞的低效率大幅提高。在此