Ips人工诱导多能干细胞研究综述.docx

1 -Ips 人工诱导多能干细胞研究综述 一． 摘要通过导入特定的转录因子可将分化的体细胞重编程为诱导性多能干细胞,这项技术避免了干细胞研究领域的免疫排斥和伦理道德问题,是生命科学领域的一次巨大革命与胚胎干细胞一样,iPS 细胞能够自我更新并维持未分化状态在体外,iPS 细胞可定向诱导分化出多种成熟细胞，因此,iPS 细胞在理论研究和临床应用等方面都极具应用价值iPS 细胞的分化和移植在治疗血液疾病中有很大的用途，iPS 细胞可治疗神经系统疾病，提供体外的疾病模型，为研究疾病形成的机制、筛选新药以及开发新的提供了新的治疗方法利用 iPS 细胞作为核供体细胞，同适当的受体细胞融合后便可以直接获得转基因动物不仅可以提高动物的遗传本质，而且可以打破物种的界限，获得用传统的交配方法无法得到的动物新性状iPS 细胞的研究一直受到人们广泛的关注, 是目前细胞生物学和分子生物学领域的研究热点论文对 ips 细胞的定义，iPS 细胞的获得，发展史，研究的意义，研究进展，iPS 细胞的应用，面临的问题进行了综述，最后对 iPS 细胞就行了展望关键词：诱导性多能干细胞 胚胎干细胞 转录因子 二． 引言1、 历史背景上世纪八十年代小鼠 ESC 被成功分离和细胞体内重编程概念的建立，使再生医学得以建立和发展。

由于胚胎干细胞有多向分化能力，可以有效修复退化的或是受损的组织，治疗一些疑难杂症但是，基于胚胎干细胞的临床治疗面临着两个问题：1）植入异体胚胎干细胞可能导致机体的排异反应；2）每一个用于治疗的胚胎都有潜在发育成个体的能力，涉及到伦理问题iPS 细胞的出现有希望使这两个问题得以解决iPS 细胞研究的重要历程 2006 年 8 月，Takahashi 和 Yamaaka 将小鼠的成纤维细胞诱导为 i PS 细胞次年 11 月，他们又利用 4 种同样的转录因子将人的皮肤成纤维细胞诱导为 i PS 细胞 j 2007 年 1 2 月，Thomson 等人筛选出了另外一套用于诱导的基因组合Dc 、S o x 2 、Nanog 和 Lin 28 随后，他们利用这 4 种因子使人类新生儿成纤维细胞重构为 i P S 细胞这两项发现分别被《自然》和《科学》杂志评为 2007 年第一和第二大科学进展2008 年 4 月，Schemes + L yland 等将鼠皮肤细胞重编程为 iPS - 2 -细胞,并成功地使其分化成心肌细胞 、血管平滑肌细胞及造血细胞2009 年 2 月，E t本东京大学研究人员在培养 iPS 细胞的时候添加人类骨髓细胞以及催进细胞增殖的蛋白质等物质使 iPS 细胞分化成了血小板的前身巨核细胞，进一步培育出血小板，同时也从技术上说明了用 iPS 细胞培育人类红细胞和白细胞都是可能的。

2 010 年 3 月，iPS 细胞研究相继迎来两项重大突破 3 月 1 日，Nagy 研究组和 Kaji 小组采用转座子介导的方法高效率制备了 virus - flee 鼠 iPS 细胞，获得 iPS 细胞后，又成功将先前导入的转录因子基因从 iPS 细胞中移除3 月 6 日，Jaenisch 小组将移除外源基因的人 iPS 细胞成功诱导成多巴胺神经元，且神经元细胞的基本功能不受影响2.iPS 细胞的概述IPS 细胞是通过导入特定的转录因子可将分化的体细胞重编程为诱导性多能干细特定的转录因子为 Oct4, Sox2, c-Myc 和 Klf4 4 个因子(这 4 个因子也称为 Yamanaka因子)可以有效地将胎鼠成纤维细胞(mouse embryonic fibroblast, MEF 细胞)和小鼠尾尖成纤维细胞诱导形成形态和生长特点类似 ES 细胞的克隆, 即 iPS 细胞iPS 细胞还可让普通体细胞“初始化”，使其具备干细胞功能iPS 细胞”具有和胚胎干细胞类似的功能.不需要制造胚胎，就可以从任何组织的细胞，甚至皮肤组织的细胞，制造出具有干细胞功能的细胞iPS 细胞和胚胎干细胞除了能生成胚胎以外，还可以产生所有的细胞，如果用于医疗，那么理论上可以治愈所有疾病—凡是不好的组织都去除，替换为重新生长的正常组织。

3.IPS 细胞的获得Ips 细胞可定向表达胚胎干细胞某些特定的标志基因，与胚胎干细胞一样具有发育全能性目前获得 iPS 细胞的方法有多种，主要包括以下几个方面：①体细胞核移植：将体细胞核导入到去核的卵母细胞 ,使体细胞核在去核的卵母细胞重新编程而获得类似于 ES 细胞的发育多能性 ②细胞融合：将哺乳动物的成年体细胞和具有多能性的 ES 细胞融合可产生四倍体细胞 ，这种四倍体细胞具有发育的多能性 ③体细胞核直接重编程：即将 Oct4 , Sox2 , Klf4 and c2Myc 四种转录因子通过病毒或质粒载体导入到体细胞中 ，使体细胞核重编程而获得发育的多能性 ④细胞培养：将生殖细胞置于特定培养条件下进行培养 ，可使生殖细胞重新编程变成多能性细胞 由此可见多能性诱导因子可能在维持类似于胚胎干细胞的多能性中起非常重要的作用 3 -4.研究 iPS 细胞的意义成功建立 iPS 细胞后，应用 iPS 细胞来治疗疾病是人们的最终目标iPS 细胞不仅可用于分化和移植，还可以提供体外的疾病模型，以便于研究疾病形成的机制、筛选新药以及开发新的治疗方法 人类 iPS 细胞的建立被公认为 2007 年最重要的科技进展之一, 这项技术不仅可以从体细胞建立个体特异的多能干细胞系, 解决了细胞移植治疗中的免疫排斥问题, 而且为研究人类细胞的重编程的机理以及研究个体特异的疾病发生机理提供了有力的方法。

在干细胞研究领域, iPS 细胞技术的出现无疑是具有里程碑意义的突破, 多种体细胞经过体外培养和诱导均可转变成为具有多向分化潜能的干细胞, 并且证明了几种已知的转录因子可以使已分化的体细胞逆转为未分化的状态, 表明细胞的巨大可塑性三． iPS 细胞的研究进展体细胞核移植或细胞融合可以重编程高度分化的体细胞, 细胞重编程是指将成熟的细胞由分化的状态被逆转到一种未分化状态的过程有研究显示小鼠胚胎早在 2-细胞期到 4-细胞期的时候, 各个卵裂球很可能就已经体现出了不同的发育倾向 此后,细胞即向着不同的方向不断地发生分化无论细胞分化的程度如何, 它们与未分化细胞在基因组成上都是一样的然而, 在其发育过程中,它们的基因组发生了许多表观遗传修饰, 说明在卵母细胞以及 ES 细胞内可能含有一些可以启动细胞重编程的因子, 可诱导体细胞表观遗传发生变化而重新获得发育多潜能性, 就像受精卵那样重新开始分裂发育 iPS细胞的来源全部取自体细胞2006 年这一概念第一次被提出时，山中伸弥使用的是小鼠表皮成纤维细胞和尾尖成纤维细胞2007 年，成人皮肤成纤维细胞也被成功诱导成iPS 细胞后来的研究中，以成纤维细胞为细胞源最为常见。

2008 年，从成年小鼠的肝脏和胃细胞诱导 iPS 细胞也获得了成功在小鼠中，最常用的是表皮成纤维细胞和尾尖成纤维细胞，也有神经细胞、肌肉细胞、间充质干细胞等，2009 年成熟的 B 细胞和 T 细胞也获得成功人类中新生儿的包皮、口腔黏膜、成人真皮最为常用，角质细胞、间充质细胞、脐带血细胞等也有应用有学者证明任意的体细胞都有被诱导成 iPS细胞的能力，与细胞种类及人的年龄、性别等没有关系但是，iPS 细胞的诱导产出率和培养方式与细胞种类是有关的后来，iPS 技术在其他如大鼠、狗、兔子等物种中也获得了成功，有人因而提出了 iPS 可以保护濒危物种的说法1. 细胞因子的作用传统的 iPS 技术要在目标细胞中导入四个细胞因子：Oct3/4，Sox2 ，Klf4，c-Myc（即 OSKM）山中伸弥首先筛选出 24 个与维持 ES 细胞干性有紧密联系的细胞- 4 -因子，将它们全部转入体细胞并诱导出 iPS 细胞，然后进一步减少转入因子的个数，最终确定了必须将以上四个因子同时转入才能成功但是，考虑到临床应用前景，四个细胞因子之一的 c-Myc 作为一个癌症因子，因成瘤性很强而并不友好2008 年，山中伸弥团队通过改进细胞培养条件，在只转入 Oct3/4，Sox2 ，Klf4 三个因子的情况下，也得到了 iPS 细胞，且获得 iPS 细胞在所有细胞中的比例大大提高，质量也优于转入四个因子的情况。

[7]两种 iPS 细胞植入小鼠体内后，有 c-Myc 的小鼠有 6%死于癌症，而没有 c-Myc 的小鼠无一死亡这一方法的唯一问题是 c-Myc 会使 iPS 产量大幅提高，该基因的缺失使原本就存在产量不足问题的 iPS 细胞更难以投入临床应用然而，这一问题在今年年初受到了中国一个团队的质疑他们观察到在敲除了 c-Myc 后 iPS 细胞的产量反而提高了该团队分析认为表观遗传改变要积累到一定程度才能顺利推动基因重编程，之前所认为的 c-Myc 的缺失导致细胞产量低是因为细胞增殖缓慢，而体细胞一味地增殖会影响表观遗传的改变，反而不利于 iPS 细胞的生成因此，对早期体细胞增殖的抑制，可能更利于 iPS 细胞的产出当然细胞培养环境也有影响，有报道称高糖低氧环境更有利于 iPS 细胞的产生2011 年，美国有学者提出了用 miRNA 的方法诱导 iPS 细胞，他们分别对小鼠和人进行了实验，将 mir302/367 转入体细胞，miRNA 可以激活 Oct4 和 Sox2 而无须加入任何的转录因子，同样可以获得 iPS 细胞，其多能性标记的表达和畸胎瘤的形成等性能都与 OSKM 获得的 iPS 细胞类似，对于小鼠还制成了嵌合体并植入生殖系统。

[11]另外他们发现同时加入丙戌酸钠抑制 Hdac2 通路，可以更进一步提高 iPS 细胞产量2013 年 2 月，又有德国学者提出只要抑制 CD47 膜蛋白，而无需其它任何基因或基因产物同样可以得到 iPS 细胞原因是 CD47 的下调会导致 c-Myc 表达上升同时调控其它与干细胞有关的转录因子，从而得到 iPS 细胞但该文章中并未提到c-Myc 作为癌症基因，其表达量的上调会对机体造成的影响另外，近年来也有许多学者找到了一些其它细胞因子来代替 OSKM，也有提出用激活 wnt 通路的方法作为代替的可见获得 iPS 细胞的方法也不是唯一的但总体来说，为获得 iPS 细胞，各重编程因子的平衡表达对 iPS 细胞的产出效率和质量很重要研究表明，Oct3/4 会增加重编程效率，而 SOX2，Kfl4 和 c-Myc 的高表达则会相对降低重编程效率2.高效快速建立 iPS 细胞我国科学家从羊水细胞中快速建立人类 iPS 细胞继前不久在世界上首次得到完全由诱导多能干细胞(即 iPS 细胞)发育的小鼠之后，我国科学家在 iPS 细胞研究领域又取得重大进展：首次从孕妇产前的羊水细胞中高效快速建立 iPS 细胞，所需- 5 -时间只有 6 天，为目前人类 iPS 细胞相关报道中最短。

最近发表于国际权威杂志《人类分子遗传学杂志》上的这项成果，是由中科院上海生命科学院／上海交大医学院健康科学研究所金颖研究员带领的干细胞研究组与上海新华医院陈方教授合作完成的据金颖研究员介绍，此前科学家已经成功地将小鼠、大鼠、猕猴、猪和人的体细胞诱导成为 iPS 细胞，诱导技术也产生了巨大革新，如减少外源转录因子的种类，使用非整合病毒，质粒法等等目前关于人类诱导多能干细胞的研究还处于起步阶段，所采用的供体细胞还仅仅局限在人包皮成纤维细胞、表皮细胞、毛囊细胞等少数细胞类型更为棘手的是，这些细胞被重编程为 iPS 细胞所需要的时间比较长(通常为 16～35 天)，且效率很低，这大大增加了在个过程中细胞的变异风险金颖说，“因此，如何找到一种理想的人类体细胞来源，是全世界科学家的重点关注课题据介绍，博士研究生李春亮等在金颖研究员指导下，从孕妇产前诊断时剩余的羊水细胞中发现一部分。