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细胞重编程与iPSCs
Zujia.W
摘要：
通过实验技术手段可以逆转终末分化细胞的分化进程，从一种基因表达谱转换成另一套表达谱，这种实现细胞类型转化的方法称为“重编程”。目前重编程的主要策略有：体细胞核移植技术，细胞融合，诱导多能性干细胞，谱系转化，胞质孵育，多能细胞提取物共培养等。由于细胞重编程的过程能够将细胞命运逆转成为具有再生能力干细胞的状态,因此,细胞重编程技术能为再生医学、疾病个体化治疗及药物筛选提供巨大的前景。
关键词： 重编程 核移植 细胞融合 诱导多能干细胞
ABSTRACT:
The process of differentiation in terminal differentiated cells can be reversed through experimental techniques, and the gene expression spectrum of cells can change from one form into another.The method for realization of cell type transformation called \The main strategies of reprogramming include: somatic cell nuclear transfer, cell fusion, induced pluripotent stem cells, lineage transformation, cytoplasmic incubation, co-culture with pluripotent cell extract and so on. Because cell reprogramming can reverse the fate of cells into regenerative stem cells, cell reprogramming technology can provide great potential for regenerative medicine, individualized disease treatment and drug screening.
Key words:reprogrammingnuclear transfercell fusioninduced pluripotent stem cell
细胞是人体结构和功能的基本单位。成人体内的细胞大概有40-60万亿个，细胞
种类也是成千上万的。不同种类的细胞有着不同的基因表达谱，从而表现出不同的形态结构，具有着不同的生理功能。除了人体细胞数量之庞大、功能之复杂令人震惊之外，更为让人惊叹的是人所有的细胞都来自于一个细胞——受精卵。
受精卵具有全能性，可逐渐形成人体的不同种类细胞，这种从同一来源细胞逐渐产生出形态结构和功能特征不同的细胞系的过程称为“分化”。多细胞生物个体的细胞分化，受到一系列动态调控机制的调控并维持其稳态,。不同类型分化细胞之间的转化不会在自然条件下自发发生，而通过实验手段可以在体外逆转细胞分化的进程，使其从一种基因表达谱转换成另一套表达谱, 从而实现细胞类型的转化，这个过程称为“重编程”。
目前已知的重编程策略主要有：体细胞核移植技术，细胞融合，诱导多能性干细胞，谱系转化，胞质孵育，多能细胞提取物共培养等。重编程的关键是有效开启基因组,从而使得重编程因子与调节区域结合, 便于染色质重构, 介导基因表达改变[1]。
一．体细胞核移植技术
细胞核移植技术（somatic cell nuclear transfer），是指将一个动物细胞的细胞核移植至去核的卵母细胞中，产生与供细胞核动物的遗传成份一样的动物的技术。目前，科学家们已经先后利用这种技术，克隆出了绵羊、小鼠、牛、猪、山羊等动物。
最早的核移植是在两栖动物——非洲爪蟾上尝试的，并且成功的孵育出了蝌蚪[2]。最为大家熟知的克隆动物——世界上第一只克隆羊“多莉”，在1997年被成功地克隆出来，这标志着细胞核移植技术第一次应用在哺乳动物身上。 细胞核移植的效率受到多种因素的制约。普遍认为, 核移植至去核卵母细胞策略的效率低与 DNA甲基化有关，核移植胚胎发育异常往往与 DNA甲基化缺陷有关。同时还有有研究表明，供体细胞的分化程度也与重编程效率密切相关：分化程度越低，核重编程的效率越高[3]。另外，组蛋白的修饰，染色体重构，基因组印记去除等其他因素也会影响核移植的效率。
核移植技术的诞生尽管在保存濒危物种、独特的动物基因型和转基因等多领域取得了巨大成就，但到目前为止，克隆效率一直很低，家畜产活的后代的比率
仅在4%以下，克隆后代也常出现体重较大及对外界环境适应性差等问题。并且，细胞核移植技术需要充足的卵细胞来源，还会破坏胚胎，受到了极大的伦理质疑和挑战。这些问题在一定程度上制约了该项技术的快速发展。
二、细胞融合
细胞融合(cell fusion)是指在自发或人工诱导下，两个不同基因型的细胞或原生质体融合形成一个杂种细胞。基本过程包括细胞融合形成异核体(heterokaryon)、异核体通过细胞有丝分裂进行核融合、最终形成单核的杂种细胞。
融合的两个细胞中一个对另一个起明显支配作用,将自己的状态强加于另一个细胞。所以我们可以通过与胚胎干细胞、胚胎生殖细胞、胚胎癌细胞等多能性细胞融合形成杂种细胞, 实现体细胞重编程。这样形成的融合细胞中多能性细胞处于统治地位, 因而体细胞会向类多能性细胞转变，并且能表现出多能性细胞的所有分子特征。
理论上说，任何细胞都有可能通过体细胞杂交而成为新的生物资源，这对于种质资源的开发和利用具有深远的意义。并且融合过程不存在有性杂交过程中的种性隔离机制的限制，这就为远缘物种间的遗传物质交换提供了有效途径。
但同时细胞融合也有很多劣势：比如细胞融合率很低，需要强烈的细胞筛选辅助，而且杂种细胞内存在多重基因组,不能用于基因治疗。尽管如此，细胞融合却能在细胞不分裂条件下即发生主动DNA去甲基化等重编程过程,因此细胞融合仍然是研究主动去甲基化等重编程机制的良好模型。
三．谱系转化
通过发育生物学的研究已知，过表达一种或几种转录因子可以深刻影响细胞表型及特性。所以我们就可以人为地,在培养细胞时添加一些转录因子或者miRNA，诱导已分化的细胞转变为另一种细胞，这种直接诱导转分化的方法也称为“谱系转化”，这种方法避免了细胞获得性免疫原性的问题。
理论上转录因子过表达能够使体细胞重编程为任意理想细胞类型,但目前转录因子过表达重编程体细胞仅限于几种特定细胞,且通常是谱系相近的细胞类型。 科学家们通过导入特定的转录因子或 miRNA 的方式已实现了如心肌细胞、肝细胞、神经干细胞和神经元、星形胶质细胞、内皮细胞、胰岛β细胞、造血干细胞和巨噬细胞等的转分化（详见表1)[4]。
四．诱导多能性干细胞（iPSBs）
2006年，日本东京大学的Takahashi和Yamanaka[5]首次过表达4因子 Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc 和运用逆转录病毒感染技术,成功地将小鼠成纤维细胞重编程为胚胎干细胞样细胞，并命名为诱导多潜能干细胞 (induced pluripotent stem cells, iPSCs)。由于多潜能干细胞与胚胎干细胞高度相似, 具多向分化潜能，并且不受细胞来源、免疫排斥、伦理、宗教和法律等诸多方面的限制，故在干细胞治疗领域中有着巨大的研究价值和应用前景。
转录因子是诱导体细胞重编程的关键因素，故也被称为重编程因子（ reprogramming factors），其包括OCT4、 SOX2、 KLF4、c-MYC、 NANOG、 LIN28（ OSKMNL）等。最基本的重编程因子主要有两类： Yamanaka 因子