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動物細(xì)胞是否也存在全能性。實(shí)驗(yàn)證明，全能性在動物細(xì)胞中的體現(xiàn)不如植物細(xì)胞明顯。卵細(xì)胞(未受精)是動物體全崔，最高的細(xì)胞。隨著細(xì)胞分化程度的提高，動物細(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，通過核移植后對體細(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)胞可以通過過表達(dá)特定的轉(zhuǎn)錄因子來實(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)的維持離不開該狀態(tài)下基因表達(dá)譜的維持以及對應(yīng)的細(xì)胞內(nèi)過程。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)合適的水平來維持多潛能性。在發(fā)育過程中，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(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(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基因組帶來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福音。另有研究發(fā)現(xiàn)，從多潛能干細(xì)胞分化而來的運(yùn)動神經(jīng)細(xì)胞與人體胚胎干細(xì)胞分化而來的運(yùn)動神經(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(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，對操作過程和實(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(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