诱导性多能干细胞的研究概况

1 诱导性多能干细胞 (induced pluripotent stem cells, i PS细胞) 的产生

干细胞 (stem cells) 是生物体及其各种组织细胞的初始来源, 其最显著的生物学特征是既有自我更新和不断增殖的能力, 又有分化的潜能, 干细胞根据来源不同分为成体干细胞和胚胎干细胞, 成体干细胞分布在成体组织中, 理论上在特定的条件下可分化为特定的组织器官。胚胎干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几乎所有组织细胞类型的潜能。胚胎干细胞研究具广阔应用前景, 体现在作为种子细胞, 为细胞、组织或器官的再生和修复提供大量的材料, 另外还可通过对其进行基因操作, 进而制作嵌合体动物, 供遗传育种改良研究。

为避免传统上利用破坏胚胎来制备胚胎干细胞的伦理学争论, 亟需找到一种替代途径。2006年8月, Takahashi和Yamanaka将24种转录因子排列组合利用逆转录病毒载体导入小鼠成纤维细胞, 最终确定最少有4种转录因子组合Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4, 可将成纤维细胞重编程为类似于胚胎干细胞的多能性干细胞, 称之为“诱导产生的多能性干细胞” (induced pluripotent stem cells, i PS cells) , 并证明这些i PS细胞可以产生嵌合小鼠, 能够嵌合到生殖系中[1]。2007年11月Yamanaka小组利用同样的四个转录因子组合将人皮肤成纤维细胞重编程为i PS细胞[2]。同年12月, 美国Thomson实验室报道了Oct4, Sox2, Nanog及Lin28四个基因的转染也可将人成纤维母细胞重编程为i PS细胞[3]。上述研究成果的问世在生命科学领域引起了一次轰动, 被誉为生命科学领域新的里程碑。

i PS细胞在形态学、表观遗传学、全基因表达谱以及细胞类型特异的分化潜能方面与胚胎干细胞极其相似。但比胚胎干细胞更具优势, 因为其来源方便, 仅需一小部分体细胞即可诱导产生, 因而避免了胚胎干细胞分离培养需要破坏大量优质胚胎的弊端, 再加上i PS细胞具有强大的可塑性, 能够高效的进行外源基因导入、基因敲除和基因改造等遗传修饰操作。因此, i PS具备成为替代胚胎干细胞最有前景的种子细胞。

2 i PS细胞制备技术的优化

近两年来围绕获得i PS细胞的几个关键步骤涌现许多研究突破。

在基因导入方式方面。从最早的采用逆转录病毒介导的方式逐渐过渡到了非病毒转染法将体细胞重编程为i PS细胞。2008年Hochedlinger小组和Yamanaka[5]小组利用腺病毒载体将转录因子基因导入体细胞瞬时表达这些转录因子成功制备virus-free adeno-i PS细胞, 证明将体细胞重编程为i PS细胞无需病毒载体整合进宿主基因组。这一结果不仅消除了由于外源基因在靶细胞基因组中插入突变形成i PS细胞的疑虑, 而且为建立新的安全性更高的基因导入系统的研究奠定了基础。

James Thomson小组的华人女学者俞君英利用非整合型附着体载体 (episoma vectors) 方法获得了人类i PS细胞[6], 在去除掉附着体后, 这些i PS细胞就成为了没有外来DNA的i PS细胞, 从而解决了可能癌变的问题。

诱导因子组合方面。2008年1月, Yaman aka等人发现, 从4个转录因子中去除c-My c后也可以产生i PS细胞, 只是i PS细胞产生的效率比包含c-Myc的时候要低很多[7]。他们先后尝试了不同的供体细胞 (小鼠胚胎成纤维细胞 (MEFs) 、成年小鼠尾尖成纤维细胞以及成年人成纤维细胞) , 在这几种细胞中仅导入Oct4, Sox2和Klf4均可以获得PS细胞。虽然, 从4种因子中去除c-Myc会严重影响诱导效率, 但从安全性的角度考虑, 因为c-Myc有潜在的致癌作用 (带有cmyc转基因的小鼠有些产生了肿瘤, 这可能是c-myc基因的活化造成的) , 它的去除对于i PS细胞研究是一个长足的进步。

体细胞种类选择方面。目前已证实逆转录病毒 (包括慢病毒) 介导的Oct4等4个因子共同转染, 几乎可以将各种类型的体细胞重编程为i PS细胞, 包括成纤维细胞、肝和胃细胞、肾上腺、肌肉细胞、小肠上皮、间充质干细胞、表皮干细胞、造血细胞[9]以及终末分化的B细胞等, 被逆转的细胞不局限于特定的细胞类型及特定的分化阶段, 其可以是内中外三胚层任一胚层来源的细胞, 既可以来源于胚胎细胞也可以来源于新生儿、成人甚至是终末分化的成熟细胞只是不同胚层来源的细胞或不同发育阶段的细胞重编程为i PS细胞的难易不同、效率不同、所需因子组合不同或形成克隆所需时间不同而已。

3 i PS细胞的应用前景展望

由于i PS细胞具有和胚胎干细胞类似的发育多能性, 因此其在细胞替代治疗上的应用前景广阔。最近, i PS细胞分化而来的神经元细胞改善了患有Parkinson病大鼠的症状;i PS细胞分化而来的内皮细胞治愈了血友病因子8缺陷的小鼠;从人源镰刀形红细胞贫血症模型小鼠的成纤维细胞获得的i PS细胞, 在体外经过基因修复和分化后, 成功治愈了该小鼠镰刀形红细胞贫血症疾病[12]。i PS细胞的出现为治疗一些传统治疗无效的疾病带来了希望。这些研究进一步证明了i PS细胞在临床治疗上的应用价值。虽然目前i PS细胞技术尚处于起步阶段, 将其应用于临床治疗还为时过早, 但其在体外的研究中的魅力已得到初步展现。用病人特异性的i PS细胞建立筛选系统, 通过筛选化合物文库, 以找到可抑制或改变病人特异性i PS细胞的表现型、有潜在的药用价值的化合物。

i PS细胞在避免了伦理道德的制约的基础上, 基本解决了免疫排斥的问题, 推动细胞替代治疗研究更进一步。但由于i PS细胞自身的安全性问题, 目前还无法应用于临床治疗。要得到符合临床应用标准的i PS细胞, 我们必须避免使用整合性病毒, 以及有致癌性的外源基因。此外, 提高i PS细胞的建系效率, 以及建立高效的i PS细胞体外分化和纯化体系也有助于i PS细胞的临床应用。

摘要：诱导性多能干细胞 (induced pluripotent stem cells, iPS细胞) 是通过在分化的体细胞中表达特定的几个转录因子, 以诱导体细胞的重编程而获得的可不断自我更新且具有多向分化潜能的细胞。诱导性多能干细胞具有获取方便、能向各类细胞分化及无限增殖等特性。本文就诱导性多能干细胞的产生、制备技术的优化及应用前景等方面作一概述。

关键词：诱导性多能干细胞,重编程

参考文献

[1] Takahashi K, Yamanaka S.Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors.Cell, 2006, 126 (4) :663～676.

[2] Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al.Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by de-fined factors.Cell, 2007, 131 (5) :861～872.

[3] Yu J, Vodyanik MA, Smuga-Otto K, et al.Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells.Science, 2007, 318 (5858) :1917～1920.Okita K, Nakagawa M, Hyenjong H, et al.Generation of mouse induced pluri-potent stem cells without viral vectors.Science, 2008, 322 (5903) :949～953.

[4] Junying Yu, Kejin Hu, Kim Smuga-Otto, Shulan Tian, et al.Human InducedPluripotent Stem Cells Free of Vector and Transgene Sequences.Science.2009, 324 (5928) :797～801.

[5] Nakagawa M, Koyanagi M, Tanabe K, et al.Generation of induced pluripo-tent stem cells without Myc from mouse and human fibroblasts.Nat Biotech, 2008, 26 (1) :101～106.

[6] Hanna J, Wernig M, Markoulaki S, et al.Treatment of sickle cell anemia mouse model with iPS cells generated fromautologous skin.Science, 2007, 318 (5858) :1920～1923.