全 文 ：生物杖术通报
稼 述 与 专 论 丑云口2百C 日脚刀乙 O G Y B U L L E 刀份 2 (X 拍 年增 刊
诱导性多能干细胞(iPS )的应用和研究进展
吴双 张飞云
(首都师范大学生命科学学院 ,北京 l加以8
摘 典: 体外诱导人类体细胞转变为多能干细胞与传统的胚胎干细胞研究相比,相对简单 ,摇脱了材料来派和伦理学
的诸多限制 , 因而引起了生命科学领城一次巨大的革命 ,尤其在医学上进步显著 ,被用于治疗遗传病 研究发病机制 利用息者
自身细胞治疗疾病等方面 虽然目前对诱导性多能干细胞的应用和进展成果显著,但仍存在一系列互待解决的问越 , 包括转史
机理 安全性和效率低下等问题本丈重.点阐述此项技术在医学上的应用和进展 , 以及仍然存在的问题和突破
关挂词: 诱导性多能干细胞 t 编程 分化
乃附 g re S a nd A P P n ca ti on on In d u ced Pl u ripo te nt S te m C eu
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K ey W o川s: Indu eed PI 而po比nt s比m cel R epro 欲川加ng D 通re比ntia tion
2(X) 7 年以来 , Sc ien ce , N ature , Cel 等发表了一 某些遗传性疾病 目前 , 获得具有类似 ES 细胞多
系列关于体外诱导体细胞转变为诱导性多能干细 向分化潜能特性的多能干细胞的方法有: 体细胞
胞 (ind ueed pluri po tent stem eel , i邢 细胞 )的论文 核移植(so m atic eell nuelear tr .侣fe r, SC N叨 细胞融
Sc ie nc e 在其 2(X) 8 年度十大科学进展名单中更是把 合 体外培养, 以及转录因子诱导等 由于对 ES 细
体细胞重编程为 iPS 细胞的相关研究放在第一位 , 胞的研究面临许多难题和争议 , 并涉及伦理问题
可以看出其重要性 尽管如此 , 将体细胞诱导重编程为多能干细胞 ,成
胚胎干细胞 (em b尽 on ic stem cel , E S 细胞 )具 为人们研究的重点 虽然 目前对诱导性多能千细胞
有分化为各种细胞类型的多能性和体外不断扩增 的应用和进展成果显著 ,但仍存在一系列觅待解决
的能力 胚胎干细胞不仅是研究发育生物学的有力 的问题 本文简要介绍了该领域的研究基础 细
工具 ,还可用于研究疾病的发生机制 药物筛选与 胞重编程技术的发展 ,详细阐述诱导性多能干细胞
药物研发等 ,在临床医学上可用于移植治疗和治疗 的研究进展和对存在问题的突破
收稿 日期 二2(X 玲一04 一28
墓金项 目:国家 自然科学基金面上项目(305 71 01 0 )
作者简介:吴双(19 84 一),女 ,在读硕士研究生 ,从事植物病毒学研究;E 一口山:sb ua 理油uar 堪.钊@ 切口.~
通讯作者:张飞云硕士生导师, 从事植物分子生物学和病毒学研究;E 一 目: fei 扣n3翰 126 .~
2兀旧年 增 刊 昊双等:诱导性多能干细胞 (iPS )的应用和研究进展
裹 , 细胞 , 编程方法及存在问瓜
名称 方法 问题
体细胞核 将体细胞核注人到去核 效率极低 ;
移植(克隆) 卵母细胞中卜3] 后代发育不正常现象比较常见 ;
孺要使用卵母细胞涉及伦理问题
细胞融合 将成熟体细胞与多能性细胞融合 , 融合率较低 ;杂交细胞
或用胚胎干细胞提取物处理细胞l4] 多出一套染色体 ,
限制在临床上的应用
体外培养 由某些类型的细胞在体 普遭性和稚定性较低
外培井时自发产生13
1 细胞孟编程发展概述
细胞重编程 (R enro gr amm ing Cells)指的是分化
的细胞在特定的条件下被逆转后恢复到全能性状
态 ,或者形成胚胎干细胞系 ,或者进一步发育成一
个新的个体的过程 自然情况下, 重编程发生于具
有再生能力的器官中, 也可以通过体细胞核移植
细胞融合 以及体外培养等技术诱导发生 ,但均存
在很多问题和争议 (表 1)
19 8 年 1 月 , 威斯康辛州的科学家们宜布他
们培育出了人体胚胎干 (hE S)细胞 ,这种细胞有潜
力在体内发育成任何细胞类型 但是 ES 细胞研究
面临着许多难题和争议 , 主要包括以下几个方面:
(l) 供体卵母细胞的来源困难 , ES 细胞建系效率低
在一项美国学者的研究中 , 来 自 12 名供卵者的
16 2 个卵母细胞最终仅建立了 3 个 E S 细胞系l] (2)
免疫排斥反应 虽然 ES 细胞有望作为细胞治疗中
供体细胞的来源 ,但仍面临细胞移植后发生免疫排
斥的危险 (3) E S 细胞具有成瘤性 移植到受体的体
内后有发展为肿瘤的可能性17一(4) 体外保持 ES 细
胞全能性的条件非常复杂 (5) 伦理学争论 与上述
困难相比, 伦理问题是 E S 细胞研究面临的最大障
碍, 由于 E S 细胞研究必须摧毁人类早期胚胎 ,这些
已经触及了人类伦理观念甚至宗教和法律问题 ,
从而引起社会各界激烈的争议 , 包括美国在内的
很多国家都颁布了政治决策限制科学家对人体胚
胎干细胞的研究 因此 ,需要找到一种替代途径摆
脱这些问题
2(X拓年 , 日本京都大学 Y aln ~ ka l0] 研究小组
报告说他们发现了一个能避开人体胚胎干细胞实
际与伦理问题的可能方法 他们采用体外基因转染
技术 , 从 24 个因子 中筛选 出 o ct4 , So xZ , 一M yc ,
幻必等 4 个转录因子, 通过逆转录病毒将上述 4 个
转录因子导人胚胎小鼠成纤维细胞或成年小鼠尾
部皮肤成纤维细胞,得到了外表和作用与胚胎干细
胞极其相似的新细胞 他们把这些新细胞称作诱导
性多能干细胞(iPS ) 这种新方法与上述几种方法
相比 ,相对简单 ,摆脱了材料来源和伦理学的诸多
限制 ,因而引起了生命科学领域一次巨大的轰动
2 诱导性多能干细胞的研究进展及应用
诱导性多能干细胞的出现为干细胞研究领域
带来新理念和新技术 ,近 2 年来成绩显著 ,尤其在
医学上进展尤为突出
2.1 遗传病治疗
H ~ et al 近期已经进行了 iPS 细胞应用基
础研究的首次尝试 , 利用人类镰状细胞性贫血的
小鼠动物模型, 取其尾尖部皮肤的成纤维细胞 ,通
过导人 o ct4 阮xZ K f4 及 一M yC 基 因, 获得 自体
i玲 细胞 ; 进一步采用基因特异性打靶技术对人类
镰状血红蛋白等位基因进行纠正后 , 将体外培养
的自体 iPS 细胞诱导为造血干细胞, 移植后可治疗
动物模型的镰状细胞性贫血 此外 ,人类 i巧 细胞目
前可能用于制备疾病 的新模型 以研究发病机制 ,
还可能用于药物研发中以鉴定药物治疗反应叫
2. 2 研 究发 病机制
近 ro 年来 , 研究干细胞的生物学家一直在寻
找一种方法 ,用患有难以研究的疾病的患者身上的
细胞制造长期生存的细胞系 (大多数成熟细胞在培
养皿中不能成活 ,所以直接从患者身上提取用于研
究的细胞无法成活) 今年 ,有两个研究小组实现了
这个目标 其中一组从一位 82 岁的肌萎缩性脊髓
性肠杖术透橄习勿姗如叨城盯 2仪为 年 增 刊
侧索硬化症 (又称路格里克氏病 ,是一种退化性疾
病 ,袭击运动神经元 ,造成逐渐瘫痪 )女患者身上提
取了皮肤细胞 ,然后制造出了细胞系 科学家们然
后引导 i玲 细胞形成了两种最受这种病影响的细
胞 :神经元和神经胶质
仅一周后 , 另一组报告说他们为 10 种疾病的
患者最身培养了 i巧 细胞系 ,包括肌肉萎缩症 I型
糖尿病 唐氏综合症等 这 10 种病中很多都很难
甚至不可能用动物模型进行研究 ;而诱导性多能干
细胞为科学家们研究疾病的分子基础提供了新工
具 这些细胞也许还将对候选药物的筛选有所帮
助 最终 ,这些技术也许可以让科学家们在培养皿
中修正基因缺陷 ,然后用修复了的自身细胞为患者
治疗l一
2. 3 用患者自身细胞治疗疾病
08 年发表的另一篇文章提出 , 再编程的出路
并不一定要回到胚胎状态 ,而可以让细胞直接变成
另一种新的细胞 美国研究人员用小鼠做实验 ,把
成熟的腆腺细胞 (又称外分泌细胞 )再编程为胰岛
日细胞 ,这种被 l型精尿病破坏的细胞在胰腺中产
生胰岛素 该研究小组把三种病毒的混合剂注人成
年鼠的胰腺内 这三种病毒主要感染外分泌细胞 ,
每个病毒携带有一种已知在 p 细胞发育过程中起
作用的基因 几天内 ,小鼠体内形成了能制造胰岛
素的细胞 ,这种细胞的外表和作用可与真的 日细胞
媲美l,3,
这个研究结果出人意料 ,因为在生物体内 ,分化了
的细胞几乎从来不改变发展方向 , 比如从肌细胞变
成肺细胞 然而 ,这种细胞的直接再编程对治疗某
些疾病来说 ,也许比采用多能干细胞更简单 更安
全 这项技术也许能使科学家们加快在实验室培养
所需细胞类型 ,用确定的因子把培养的一种细胞变
成另一种
3 存在问厄及突破
尽管 2(X) 8 年研究人员取得了很多进展 , 要把
细胞再编程用于治疗疾病还需要更多一些突破 为
了使细胞再编程足够安全 能用于细胞疗法 ,研究
人员必须找到一种高效 可靠的方法来引发细胞再
编程 他们还要确切地搞清楚这个过程是如何进行
的
3.1 转录因子导致细胞发生重编程的机理
尽管几十个实验室已经采用了这一技术 ,再编
程过的细胞内部到底发生了什么仍然是个谜 ,似乎
一些偶然事件的组合决定了哪些少数细胞最终会被再编程 目前一个主要理论认为 一些再编程因
子首先帮助松动细胞核内的 D NA , 使重新激活关
闭的基因变得更容易 随后 ,其它因子帮助引发一
个给细胞新身份的蛋白信号级联发生 体16
确肠teh ead l川生物医学研究所联合麻省理工生
物系的科学家对干细胞的定向发育 D N A 调控机制
又有新发现 , 研究者在 ES 细胞定向各谱系发育的
过程中发现 , H ZAZ 在多个靶位基因中发现有丰富
的表达量 他们从基因组学的水平分析 H ZAZ ,新
的研究结果表 明 H ZAZ 的作用模式与 Pc G (Po ly
co mb gro uP )蛋白 Sus lZ 惊人的相似 ,它们是某些重
要的基因的启动子蛋白 研究小组用 RN Ai 技术来
研究两个蛋白的功能 ,结果发现 H ZAZ 与 Pc G 蛋白
是独立执行功能的蛋白 ,对靶基因的表达具有重要
的调控作用 更值得关注的是 , HZAZ 蛋白是调控
胚胎干细胞分化的关键因子 H ZAZ 蛋白在某一特
别的细胞亚类中的表达量十分高 ,这表明 H ZAZ 蛋
的分配量是影响细胞命运关键蛋白 因此说 , HZ AZ
与 Pc G 蛋白在干细胞的分化过程中起关键的作用 ,
它们通过调节基因表达来促进胚胎干细胞分化
3. 2 安全性
最初的再编程方法靠病毒把再编程基因擂人
受感染细胞的基因组 ,从而永久地改变其 DN A 科
学家们对这种方法比较担心 ,原因有几个 第一 ,插
人的基因可能会打断体细胞正常的基因 ,例如防庙
基因 ,导致细胞容易形成肿瘤 尽管擂人的基因似
乎在再编程结束后自动关闭 让细胞 自身的基因接
管 ,科学家们仍然担心插人的基因会再激活或者对
细胞产生其它徽妙的影响
由于这个原因 ,世界各地的实验室都在寻找其
它方法来引发细胞再编程 今年科学家们取得了迅
速进展 有几个研究小组发现可以用化学品代替某
些插人基因18 另一个小组发现至少在小鼠细胞上
也可以用膝病毒做载体tlg] 腺病毒是导致常见感冒
的一种病毒 ,并不将 自己插人基因组 腺病毒足够
长时间地表达插人的基因 ,将细胞再编程 ,但是随
2峨X 旧 年 增 刊 吴双等 :诱导性多能干细胞(iPS )的应用和研究进展
着细胞分裂 ,病毒被稀释到检测不到的水平 ,使再
编程后的细胞内原来的基因组保持不变 日本的研
究人员揭示名为质粒的 D N A 环状体也可以将所需
基因载人细胞侧 但是 ,以上这些可选方案都远远
没有最初的方法效率高 ,而且大多数都还没有用人
体细胞试验成功过 ,因为人体细胞比小鼠细胞更难
再编程
3. 3 提高转化率
要使细胞再编程能被广泛应用 ,还须提高其效
率 在大多数实验中 , l0 0( 洲)个细胞中能被成功再
编程的细胞少于 1个 不过 ,今年美国两个研究小
组发现一种叫做角质细胞的皮肤细胞特别容易再
编程 ,这对该研究领域似乎是个福音 研究人员能
把大约 1% 的角质细胞再编程 , 整个过程只要 ro
d ,而其它细胞则需要好几个星期 毛囊是角质细胞
的一个丰富来源 ,加里福利亚州和西班牙的研究人
员宜布说他们从人头皮上拔下的一根头发的细胞
中获得了个性化的细胞系 从头发获得细胞比切下
一块皮肤要容易得多 北京大学生命科学院的邓宏魁等教授通过将
多种因子联合 4 个必须的转化基因 (O CT4 ,so X 2,
K LF4 和 一M Y C) 诱导 i咫 细胞 ,再经过一个筛选平
台对多种因子进行筛选 ,结果发现有 2 种因子可显
著提高 iPS 的转化效率 t2l 这两种因子就是 p53
ai R N A 和 U TF I , 将其与 4 个诱导基因一起转染到
人成纤维细胞中, 结果转化 iPS 细胞的效率可提高
10 倍 并且值得关注的是 ,就算剔除 c一M Y C (具有
致癌性基因)同样可以成功诱导 iPS
美国哈佛大学研究人员采取添加特殊化合物
的方法 ,将体细胞制造 i巧 的效率提高了 10 多倍
网 目前这项研究在大鼠实验中已获得成功 ,而在
制造人类 iPS 时也可采取同样方法 , 以提高效率
该成果被业界称为 iPS 研究中的一大进步 在制造
过程中 ,美国研究人员使用了 4 种遗传基因 ,同时
加人了 7 种包括可阻碍特定蛋白质合成的物质和
酶在内的化合物 ,以研究其各 自的制造效率 研究
结果显示 ,没有添加化合物时 ,遗传基因的导人效
率为 0. 01 % 一0. 05 % ,而加人了一种叫 巴尔普罗酸
的蛋白质合成阻碍剂之后 ,导人效率竟升至 9.6% -
14 % 如果从这 4 种遗传基因中排除导致细胞癌化
的遗传基因 ,只使用 3 种基因 ,过去的导人效率只
有 0. 0 1% 甚至更低 ,而加人 巴尔普罗酸 之后 ,其
效率也提高了约 50 倍 研究人员认为 ,这很可能是
因为 巴尔普罗酸 可以促进多能遗传基因的活性
今后 ,研究人员将就添加化合物是否会使遗传基因
产生变异展开研究 ,以便在提高制造效率的同时保
证安全性
近 2 年 , 诱导性多能干细胞技术飞速发展 ,虽
然现阶段 iPS 细胞还不能完全取代传统干细胞研
究 ,这项技术也存在一些有待解决的问题 ,但是今
后 iPS 细胞的研究会成为生命科学领域的一个重
要方向, 随着技术的不断进步 , 相信 iPS 细胞研究
的进展会比人们想象中更为迅速
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