誘導性多能干細胞的研究進展

1、誘導性多能干細胞的研究進展         11-01-28 11:45:00     作者：夏海濱, 趙俊麗    編輯：studa20【關鍵詞】  干細胞; 細胞分化; 轉(zhuǎn)錄因子誘導性多能干細胞（induced pluripotent stem cells, iPS）是通過基因轉(zhuǎn)染技術(gene transfection)將某些轉(zhuǎn)錄因子導入動物或人的體細胞, 使體細胞直接重構(gòu)成為胚胎干細胞（embryonic stem c

2、ell,  ES）細胞樣的多潛能細胞。iPS細胞不僅在細胞形態(tài)、 生長特性、 干細胞標志物表達等方面與ES細胞非常相似, 而且在DNA甲基化方式、 基因表達譜、 染色質(zhì)狀態(tài)、 形成嵌合體動物等方面也與ES細胞幾乎完全相同。iPS細胞的研究受到人們廣泛的關注, 是目前細胞生物學和分子生物學領域的研究熱點。iPS細胞技術誕生還不到2年, 卻為干細胞的基礎研究和臨床疾病治療研究帶來了前所未有的希望, iPS細胞技術的出現(xiàn)使人們從ES細胞和治療性克隆等激烈的倫理學爭論中解脫出來。但是, 目前制備iPS細胞的方法在安全性方面還存在一定問題, 因此探索一種高效、 安全的iPS細胞的制備方法顯得十

3、分必要。    1  iPS細胞的制備方法    2006年Takahashi等1研究小組利用分別攜帶Oct4、 Sox2、 Myc和Klf4轉(zhuǎn)錄因子的4種逆轉(zhuǎn)錄病毒載體感染小鼠胚胎成纖維細胞(mouse embryonic fibroblasts,  MEFs), 經(jīng)過G418藥物篩選成功獲得第1批iPS細胞。但是這批iPS細胞系中DNA甲基化的方式與自然存在的ES細胞不同, 而且這批iPS細胞不能形成畸胎瘤。Okita等2研究小組報道了第2批iPS細胞的產(chǎn)生。他們采用與制備首批iPS細胞相同的方法, 但是采用了

4、不同的篩選基因。第2批iPS細胞系DNA甲基化的方式與自然存在的ES細胞的甲基化方式相同, 并且能形成畸胎瘤。2007年末, Takahashi和Yu等3, 4兩研究小組分別在細胞和科學雜志上報道關于iPS研究里程碑的實驗結(jié)果, 他們都成功獲得了人的iPS細胞系。Yamanaka采用與誘導小鼠iPS相同的方法, 成功將人成纖維細胞誘導成多干細胞。Thomson研究小組采用與Yamanaka不同的方法, 他們利用慢病毒載體運輸Oct4、 Sox2、 Nanog和Lin28轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)染IMR90胚胎成纖維細胞, 并且成功地獲得了人iPS細胞。2008年1月Nakagawa等5研究小組報道他們可以利

5、用Oct4、 Sox2和Klf4  3種轉(zhuǎn)錄因子將小鼠和人的成纖維細胞成功誘導出iPS細胞。Aoi等6研究小組將小鼠肝細胞和胃上皮細胞成功誘導為iPS。Stadtfeld等7實驗小組利用Oct4、 Sox2、 cmyc和Klf4 4種轉(zhuǎn)錄因子將胰島  細胞誘導為iPS細胞。    Hanna等8研究小組在細胞雜志上報道了他們將小鼠終末分化的B淋巴細胞誘導成iPS細胞的實驗結(jié)果。他們采用類似于利用成纖維細胞制備iPS細胞的方法, 使用4種轉(zhuǎn)錄因子（Oct4、 Sox2、 cMyc和Klf4）及CCATT/增強子結(jié)合蛋白（C/EBP）, 成功地將成

6、熟B淋巴細胞誘導為iPS細胞。    Eminli等9研究小組利用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體攜帶Oct4、 Klf4和cMyc 3個轉(zhuǎn)錄因子將神經(jīng)祖細胞誘導為iPS細胞, 之后Kim等10研究小組報道利用慢病毒載體攜帶Oct4和cMyc或Oct4與Klf4兩種轉(zhuǎn)錄因子就可以將成人的神經(jīng)干細胞誘導為iPS細胞。他們檢測到在成人神經(jīng)干細胞中Oct4和cMyc的表達量高于胚胎干細胞中Oct4和cMyc的表達量, 因此考慮利用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體只攜帶兩種轉(zhuǎn)錄因子誘導成人神經(jīng)干細胞為iPS細胞并獲得成功。由此他們推測當被誘導的體細胞中高表達某個或某幾個轉(zhuǎn)錄因子時, 可以減少其他轉(zhuǎn)錄因子的使

7、用。    當一系列人正常體細胞被誘導成iPS細胞之后, 科學研究者開始研究患者的細胞是否也能誘導成iPS細胞。Dimos等11研究小組報道他們將肌萎縮側(cè)索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）患者的細胞成功誘導成為iPS細胞。隨后Park等12報道他們將腺苷脫氨酶缺陷相關嚴重的聯(lián)合免疫缺陷、 三型葡萄糖腦苷脂沉積癥、 帕金森綜合征、 舞蹈癥、 青少年I型糖尿病等患者的細胞誘導為iPS細胞。    體細胞可以誘導為iPS細胞, 但是獲得iPS細胞的幾率很低。于是科學研究者們研究能否找到提高iPS

8、細胞產(chǎn)生效率的方法。Mali等13報道他們將SV40大T抗原和Oct4、 Sox2、 cMyc和Klf4同時誘導成纖維細胞能顯著提高iPS細胞產(chǎn)生的效率, 而且iPS細胞提前12周產(chǎn)生。Huangfu等14報道DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙?；敢种苿┠茱@著提高iPS細胞產(chǎn)生的效率。Aasen等15研究小組報道采用逆轉(zhuǎn)錄病毒運輸Oct4、 Sox、 Klf4和cmyc誘導人角化細胞產(chǎn)生iPS細胞的效率比誘導人成纖維細胞產(chǎn)生iPS細胞的效率至少提高100倍, 而且大大縮短了產(chǎn)生iPS細胞的時間。    Maherali等16研究小組報道了制備iPS細胞新的研究平臺,

9、 并指出可從分子、 遺傳和生化機制上改造細胞程序重排技術。他們開發(fā)了一種新的iPS細胞誘導技術, 采用doxycycline誘導轉(zhuǎn)錄因子的表達, 從而可以通過藥物來控制iPS細胞的產(chǎn)生, 其制備的iPS細胞從結(jié)構(gòu)和功能上都與人類胚胎干細胞很相似。人們研究發(fā)現(xiàn), 不同的皮膚細胞類型用于誘導產(chǎn)生iPS細胞的時間也不同16。Huangfu等17研究小組報道僅利用反轉(zhuǎn)錄病毒表達Oct4和Sox2兩種轉(zhuǎn)錄因子, 同時借助抑制組蛋白去乙?；富钚缘男》肿踊衔锉焖幔╒alproic Acid, VPA）的作用就能將人的成纖維細胞系BJ和NHDF逆轉(zhuǎn)成iPS細胞。    最近

10、, Stadtfeld等18報道他們利用腺病毒載體運輸Oct4、 Sox2、 Klf4和cMyc 4種轉(zhuǎn)錄因子成功獲得無病毒整合的iPS(AdenoiPS)細胞。Okita等19研究小組采用2種質(zhì)粒分別攜帶Oct4、 Sox2和Klf4 3種轉(zhuǎn)錄因子和cmyc轉(zhuǎn)錄因子共轉(zhuǎn)染人或小鼠的體細胞并使之誘導成為iPS細胞, 經(jīng)過檢測并無質(zhì)粒整合進入iPS細胞基因組中, 即獲得了在基因組水平無轉(zhuǎn)錄因子整合的iPS細胞。Frank 等采用帶有l(wèi)oxpCre 系統(tǒng)的病毒載體誘導iPS, 此系統(tǒng)可將整合到iPS基因組中的4種外源轉(zhuǎn)錄因子及病毒基因成分完全剔除, 因而所獲得了完全沒有病毒基因組的來源于Parki

11、nson患者成纖維細胞的iPS; 而Knut 等人使用含有轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)的病毒載體也成功獲得了完全沒有病毒基因組的來源于人胚胎成纖維細胞的iPS。這些無病毒基因組成分的iPS誘導成功為其臨床實際應用奠定了基礎。iPS細胞產(chǎn)生的方法歸納見表1。表1  誘導iPS產(chǎn)生的方法    小鼠胚胎成纖維細胞13Oct4,  Sox2,  Klf4小鼠及人成纖維細胞5Oct4,  Klf4,  cmyc神經(jīng)祖細胞9Oct4,  Klf4成人神經(jīng)干細胞10Oct4,  cmyc成人神經(jīng)干細胞10Oct4, 

12、; Sox2,  cmyc,  Klf4,  Nanog人角質(zhì)細胞16Oct4,  Sox2人成纖維細胞系BJ and NHDF17    2  iPS細胞的應用    iPS細胞技術是一把了解細胞核基因組重序(reprogramming)的鑰匙, 因為iPS細胞在功能上與胚胎干細胞幾乎完全相同。因此, iPS細胞的誘導產(chǎn)生過程將是我們了解基因組重序分子機制和個體特異的疾病發(fā)生機制的最理想的模型。Hanna等20近期已經(jīng)進行了iPS細胞應用基礎研究的首次嘗試, 利用人類鐮狀細胞性貧血的小鼠動物模型, 取其尾尖部皮膚的成纖維細胞, 通過導入Oct4、 Sox2、 Klf4和cMyc基因, 獲得自體iPS細胞; 進一步采用基因特異性打靶技術對人類鐮狀血紅