重編程和可誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞

重編程和可誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞關(guān)鍵詞：成纖維細(xì)胞維生素c北京標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)在植物細(xì)胞的全能性得到證實(shí)后.人們自然而然地猜測(cè)動(dòng)物細(xì)胞是否也存在全能性。實(shí)驗(yàn)證明，全能性在動(dòng)物細(xì)胞中的體現(xiàn)不如植物細(xì)胞明顯。卵細(xì)胞(未受精)是動(dòng)物體全崔，最高的細(xì)胞。隨著細(xì)胞分化程度的提高，動(dòng)物細(xì)胞的全能性逐漸受到限制。分化潛能變窄.但是，它的細(xì)胞核仍然保持著全能性，因?yàn)榧?xì)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(dòng)物成體細(xì)胞重編程(reprogramming)，方法是將體細(xì)監(jiān)細(xì)胞核以顯微注射或電擊的方法注入去核的卵細(xì)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(xì)胞的核移植到去核的青蛙卵細(xì)胞中；而20世紀(jì)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(dòng)物體細(xì)胞的細(xì)胞核具有發(fā)育全能性。體細(xì)胞克隆動(dòng)物的成功表明，盡管體細(xì)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(xì)胞為受體，通過(guò)核移植后對(duì)體細(xì)胞核的重新編程，依然能發(fā)育成完整的個(gè)體。重編程(reprogramming)的目標(biāo)是誘導(dǎo)已經(jīng)分化的細(xì)胞退回到多潛能狀態(tài)(pluripotency)，然后再分化成幾乎所有的細(xì)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(xì)胞類型。以往的研究認(rèn)為，干細(xì)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(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明有一種內(nèi)在的機(jī)制，能夠?qū)⒁呀?jīng)分化的細(xì)胞的“十”性(stemness)調(diào)整到像胚胎干細(xì)胞的多潛能狀態(tài)(ESC—likeplurtpotentstate)。干細(xì)胞的“干"性指的是干細(xì)胞自我更新的能力以及多潛能，即能分化成胚胎的三個(gè)胚層所代表的組織和細(xì)胞類型的能力。從體細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生多潛能干細(xì)胞可以通過(guò)過(guò)表達(dá)特定的轉(zhuǎn)錄因子來(lái)實(shí)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(xì)胞》上率先報(bào)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(xì)胞，發(fā)現(xiàn)可誘導(dǎo)其發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的細(xì)胞在形態(tài)、基因和蛋白質(zhì)表達(dá)、表觀遺傳修飾狀態(tài)、細(xì)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(xì)胞相似，故被稱為誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞。2007年，Thompson實(shí)驗(yàn)室和山中伸彌實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)報(bào)道，利用iPS技術(shù)同樣可以誘導(dǎo)人皮膚纖維母細(xì)胞成為幾乎與胚胎干細(xì)胞完全一樣的多潛能干細(xì)胞。所不同的是日本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室采用了以慢病毒載體引入Oct4、Sox2、Nanog和LIN128。細(xì)胞多潛能狀態(tài)的維持離不開(kāi)該狀態(tài)下基因表達(dá)譜的維持以及對(duì)應(yīng)的細(xì)胞內(nèi)過(guò)程。有三個(gè)轉(zhuǎn)錄因子OCT4、SOX2和NANOG在掌控這種狀態(tài)時(shí)起重要作用。通過(guò)激活或抑制大量基因的表達(dá)，OCT4在發(fā)育以及多潛能性的維持上有核心作用。事實(shí)上，細(xì)胞缺失了OCT4后就不再能處于多潛能狀態(tài)。SOX2在干細(xì)胞的自我更新中起作用，但并不只限于在多潛能細(xì)胞中表達(dá)。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(shí)SOX2可以使OCT4的表達(dá)處于一個(gè)合適的水平來(lái)維持多潛能性。在發(fā)育過(guò)程中，NANOG表達(dá)于多潛能細(xì)胞的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中。如果在已經(jīng)獲得多潛能狀態(tài)的細(xì)胞中NANOG缺失，細(xì)胞仍舊能表現(xiàn)出很多干細(xì)胞的特征，推測(cè)NANOG的主要作用可能在獲得多潛能性方面。這三個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在不同的水平上對(duì)細(xì)胞的多潛能性發(fā)揮作用。并且，這三個(gè)轉(zhuǎn)錄因子都能結(jié)合到自身基因的啟動(dòng)子上，對(duì)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(dá)。讓普通體細(xì)胞進(jìn)行“初始化”，使其具備干細(xì)胞的功能，即是“iPSC”°iPSC具有和胚胎干細(xì)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(xì)胞甚至皮膚組織的細(xì)胞中制造出具有干細(xì)胞功能的細(xì)胞，相比于人胚胎干細(xì)胞在倫理上的問(wèn)題，這種通過(guò)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(kāi)了全新的視野。干細(xì)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(jī)制。重編程回避了在再生醫(yī)學(xué)中從胚胎取材的問(wèn)題，而直接用病人身上已經(jīng)分化的細(xì)胞。從臨床的角度看，這在避免倫理問(wèn)題的同時(shí)，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(duì)基因組帶來(lái)的不利影響及潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)。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(xì)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(xì)胞，通過(guò)上述方法培育出誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞后，叉成功將其培育成為多巴胺神經(jīng)元細(xì)胞，而多巴胺神經(jīng)元細(xì)胞是帕金森氏癥患者大腦中所缺少的一種細(xì)胞。因此，相關(guān)成果有望為帕金森氏癥的治療研究帶來(lái)福音。另有研究發(fā)現(xiàn)，從多潛能干細(xì)胞分化而來(lái)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞與人體胚胎干細(xì)胞分化而來(lái)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)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(rèn)定，該新成果將為利用病人特定細(xì)胞治療其神經(jīng)系統(tǒng)疾病開(kāi)創(chuàng)新的方法。日本京都大學(xué)教授山中伸彌開(kāi)發(fā)的iPS細(xì)胞培養(yǎng)方法成為世界首個(gè)獲得批準(zhǔn)的iPS細(xì)胞相關(guān)專利。蹦前在培育iPS細(xì)胞時(shí)，需要依靠逆轉(zhuǎn)錄酶病毒或慢病毒將基因?qū)梭w細(xì)胞，而使用病毒載體有可能引發(fā)腫瘤形成。此外，每次實(shí)驗(yàn)前都要制作新的病毒載體，對(duì)操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)室的管理要求很嚴(yán)格，這都阻礙著iPS細(xì)胞技術(shù)的普及。山中伸彌教授的研究小組成功使用兩個(gè)質(zhì)粒分別運(yùn)載不同的基因，然后把兩個(gè)質(zhì)粒同時(shí)導(dǎo)人實(shí)驗(yàn)鼠胚胎成纖維細(xì)胞，成功培育出了iPS細(xì)胞。用這種方法培養(yǎng)的iPS細(xì)胞與以往的iPS細(xì)胞一樣能分化生成表皮、橫紋肌和神經(jīng)組織等多種細(xì)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(guó)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(wàn)至1O萬(wàn)個(gè)細(xì)胞才能有1個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為多潛能干細(xì)胞的低效率大幅提高。在此