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诱导性多功能干细胞研究进展 赵 博 生 zhaobosheng@sdut.edu.cn 2006年，日本京都大学的Yamanaka教授在《细胞》（Cell）上发表了具有里程碑意义的文章，详细介绍了其用四个因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc）将小鼠成纤维细胞逆转为类似多能干细胞的研究工作及结果，从此开创了iPS时代。 iPS技术 2008年荣登Science十大科技进展榜首 。 一、细胞核重编程 细胞核重编程指的是细胞内的基因表达由一种类型变成另一种类型。通过这一技术，可以在同一个体上将较容易获得的细胞（如皮肤细胞）类型转变成另一种较难获得的细胞类型（如脑细胞）。这一技术的实现将能避免异体移植产生的免疫排斥反应。在受精卵发育成一个成熟个体的过程中，特定类型的细胞一般都是沿“单行道”形成。随着发育的不断进行，这些细胞就会逐渐失去可塑性，成为不可逆的某一特定类型细胞。例如，一个皮肤细胞不会自动地转变成为一个脑细胞，而小肠细胞也不会转变成心脏细胞。然而，却有一些实验方法可以使不同类型细胞之间的转换成为可能。这些方法都是利用细胞核重编程的原理，也就是说让一种类型细胞的核基因表达转变成为胚胎细胞或者其它类型细胞的状况。 1. 卵细胞和卵母细胞的核移植 将一个活细胞核成功地移植到已经去核的蛙卵中的实验，首次证明可以通过实验方法来逆转细胞的分化状态。Briggs和King首次成功实现通过移植Rana pipiens的囊胚细胞核产生会游动的蝌蚪。但是，他们发现如果移植的是处于胚胎发育较晚阶段（肠胚）的细胞核，就会出现非正常发育现象。于是，他们提出细胞分化可能涉及不可逆转的细胞核转变。 不久之后，有人在南非青蛙Xenopus laevis上进行了相似的实验。按照同样的实验方法，他们发现即使用于移植的核是来自于完全分化的细胞，也能得到发育完全正常并且具有生育能力的雄性和雌性青蛙，在该实验中是供体蛙的小肠上皮细胞。这些实验结果告诉人们，细胞分化是可以被完全逆转的，并且不可逆的细胞核变化是非必须的。 2. 细胞核重编程的效率 实现卵细胞诱导的完全重编程的公认标准是产生一个包含任何一种细胞类型（被定义为全能性）并且具有生育能力的成体个体。 3. 细胞核重编程的机理 用卵子进行细胞核重编程值得关注的一个地方是卵子具有以100％的效率重编程已经定向分化了的精子细胞核的能力。我们需要解决的问题是为什么重编程能够成功实现？而又是什么因素常常导致这一过程的失败，即便是在使用卵子细胞的情况下？ 有人利用卵母细胞（第一次减数分裂早期的雌性生殖细胞，是产生卵子的前体细胞）探索了卵细胞（处于第二次减数分裂中期）的重编程机制。许多移植进卵母细胞生殖泡的哺乳动物体细胞核被直接重编程而表达干细胞标志基因，包括Oct4, Nanog和Sox2。在卵母细胞内进行的细胞核重编程不会产生新的细胞，但是与卵子相反的是，这一过程的发生既不需要细胞分裂，也不需要蛋白质的合成。与这个重编程伴随而生的机制包括：异染色体的开放；分化标记，如DNA甲基化的去除；组蛋白修饰以及组蛋白交换等等。这些机制发生的基础是，受精卵拥有能引起上述效应的高浓度特定蛋白。如果卵子的蛋白能够在几秒或几分钟的时间内被交换到移植进来的体细胞核的话，那么完全重编程就应该总会发生。 但是，这个概念却和另一个事实相悖，那就是卵子常常不能完全重编程植入其中的体细胞核。如果以上所说的染色体蛋白迅速交换适用于卵子里用来重编程受精卵的细胞核的话，在卵细胞第一次分裂之后，蛙类细胞就会需要一定的时间，并且哺乳动物细胞需要更多的时间去完成彻底的重编程。但这通常不会发生。一个可能的原因是移植进来的细胞核携带了供体细胞的表观遗传学记忆。例如，在肌肉细胞里取出的细胞核，用于重编程后，在重编程的胚胎里发育出来的神经或其它非肌肉细胞里还会强烈的表达与肌肉相关的基因。 4. 细胞融合与细胞提取物 我们可以从上述这些实验中得到一些重要的结论。其一，细胞核的涨大和染色体的去染色质化会发生在基因表达谱的重编程之前。其次，新的基因表达谱并不依赖于供体基因表达谱的退去或者细胞分裂。所以上述这些都不是重编程所必需的。 5. 诱导多能性 该领域一个惊人突破发生在2006年，Takahashi和Yamanaka发现向小鼠成体成纤维细胞里转入四个基因（Oct4、Sox2、c-Myc和Klf4）以后，这些细胞能被诱导成为具有胚胎干细胞特征的细胞。后来引入Nanog表达的筛选系统后，得到的干细胞移植到具有免疫耐受能力的受体胚胎时，还显示出参与发育的能力。因此可以证明它们是具有多能性的，所以叫做诱导性多能干细胞，或称iPS细胞。 6. 品系转变 通过外源表达基因来改变细胞的分化类型在很多年前就由Weintraub发现“主导基因”MyoD后提