全 文 ：第27卷 第3期
2015年3月
Vol. 27, No. 3
Mar., 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2015)03-0327-09
DOI: 10.13376/j.cbls/2015044
收稿日期：2014-12-23
基金项目：干细胞研究国家重大科学研究计划(2015CB964503)；中国科学院干细胞先导专项(XDA01040301)；国家自
然科学基金项目(81425024，31371511)
*通信作者：E-mail: xxie@simm.ac.cn
改变细胞命运的重编程
龙　媛，张立红，谢　欣*
(中国科学院上海药物研究所中国科学院受体结构与功能重点实验室，国家新药筛选中心，上海 201203)
摘　要：体细胞重编程是指用特定方法使已分化的细胞重新获得多能性的过程，可通过核移植、细胞融合、
多能细胞提取物共培养和诱导性多能干细胞等途径实现。其中，诱导性多能干细胞技术发展最为迅速，应
用前景广阔。现主要介绍重编程领域近年的研究进展。
关键词：体细胞重编程；诱导性多能干细胞；小分子化合物；转分化
中图分类号： Q343.5；Q813 文献标志码：A
Recent progress in somatic cell reprogramming
LONG Yuan, ZHANG LI-Hong, XIE Xin*
(CAS Key Laboratory of Receptor Research, the National Center for Drug Screening, Shanghai Institute of Materia
Medica, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China)
Abstract: Differentiated somatic cells can be reprogrammed to pluripotent state by several techniques, including
nuclear transfer, cell fusion, co-culture with pluripotent cell extracts and the recently discovered induced pluripotent
stem cell (iPSC) technology. iPSCs are highly valuable in regenerative medicine and the techniques in generating
iPSCs are evolving very fast. In this review, we summarize recent progress in the research of somatic cell
reprogramming and iPSCs.
Key words: somatic cell reprogramming; induced pluripotent stem cell; small molecules; trans-differentiation
谢欣，中科院上海药物研究所研究员 /课题组长，国家新药筛选中心副
主任，科技部重大科学研究计划首席科学家，国家杰出青年基金获得者。主
要从事基于 G蛋白偶联受体 (GPCR)和干细胞的重大疾病新机制、药物作用
新靶点及生物活性新分子研究。发表 SCI论文 60余篇，获授权和申请国内外
发明专利 20余项。获得过多项荣誉及奖励，包括新世纪百千万人才工程国家
级人选、中科院上海分院系统杰出青年科技创新人才、上海市优秀学术带头人、
上海市三八红旗手、国务院政府特殊津贴专家等，并于 2013年获第十届中国
青年女科学家奖。现任 Journal of Biological Che mistry及 Acta Pharmacologica
Sinica编委。
从一颗受精卵最终形成完整生命个体的过程，
称为发育，又称编程，是一个细胞数目和种类同时
增加的复杂的生命活动。这一进程伴随着细胞数目
的增加 (增殖 )和前体细胞向下一级细胞的演变 (分
杰出女科学家专刊 第27卷328
化 )，最终形成具有复杂功能的生命体。
受精卵和早期分裂球具有全能性，能够形成整
个的生物体和胚外组织。发育早期的胚胎由两部分
构成：一部分是滋养外胚层细胞，它们形成胚胎外
组织，如胎盘，为胚胎发育供应必需的营养物质，
保证氧气的供应 [1-2]；另一部分是大约 20个细胞的
内细胞团 (inner cell mass, ICM)，ICM的细胞进一
步分化为 3个胚层，进而形成由不同器官和组织
构成的复杂个体。ICM的细胞能够形成所有的体
细胞以及生殖细胞的特性被定义被多能性。1981
年，科学家从 ICM中分离细胞，成功建立了小鼠的
胚胎干细胞系 (mouse embryonic stem cells, mESCs)[3]。
mESCs具有两个重要特征——自我更新和多能性。
在特定的培养条件下，mESCs可以一直稳定传代，
并维持胚胎干细胞状态和特征 (自我更新 )，保持
基因稳定；该细胞同时具有向 3个不同胚层细胞分
化的能力 (多能性 )，在特定的诱导条件下可以定
向分化为不同种类的细胞。
发育过程是多因子共同调节的结果，细胞在发
育过程中命运被决定，逐渐变成单能性。最终，终
末分化的细胞不再具有分化能力。在自然状态下，
这一过程基本不可逆。随着生命科学的进展，人们
通过核移植、细胞融合以及导入特定转录因子等方
法，成功地将已分化的成体细胞逆转为具有多能性
或是全能性的细胞，这一逆转过程被定义为体细胞
重编程 (somatic cell reprogramming)。体细胞重编程
技术可以使分化的细胞重新获得多能性，进而建立
稳定遗传的干细胞系或进一步发育成组织、器官或
完整的个体。体细胞重编程技术经过了几十年的发
展，取得了很多意义重大的进展，本综述将从体细
胞重编程技术的几类主要方法入手，对该技术的进
展和研究现状进行介绍。
1　重编程策略
1.1　细胞核移植(nuclear transfer)
1952 年，Briggs和 King[4]将囊胚细胞的细胞
核转移至蛙卵中，首次克隆出了脊椎动物北方豹纹
蛙。1962年，Gurdon[5]用紫外照射破坏非洲爪蟾的
未受精卵细胞核，然后将蝌蚪上皮细胞的细胞核注
入核被破坏的卵细胞中，得到了发育完全正常的爪
蟾。实验中使用的细胞核来源于已经分化的成体细
胞，这一实验首次证明了完整生物体发育所需的所
有基因都存在于已分化细胞的核内，而且这些基因
可以被卵细胞内存在的某些因子重新激活。值得一
提的是，1963年，我国科学家童第周等将雄性鲤鱼
的细胞核移植入雌性鲤鱼的去核卵细胞，首次得到
了克隆鱼。
在随后的几十年间，科学家一直在尝试对哺乳
动物进行克隆。1997 年，Wilmut等 [6]从成年羊的
乳腺中分离出体细胞，将细胞核移植到去核的卵母
细胞后，获得了一只成体羊，也就是著名的克隆羊
多莉。克隆羊多莉的诞生，证明哺乳动物的体细胞
核在移植入卵母细胞后能产生类似于胚胎干细胞的
新细胞，并进一步发育形成完整个体。
随后，科学家相继应用核移植技术克隆出了多
种哺乳动物，但这些克隆动物普遍存在早衰现象及
其他缺陷。2003年，多莉因严重肺病被安乐死，活
了 6岁，而羊的平均寿命是 12岁。人们还发现，
只有 1% 的克隆小鼠及 3% 的克隆牛可以正常生长，
这个数值远小于自然比率 [7]。同时，核移植技术的
关键步骤是将体细胞核导入去核的卵母细胞，这种
方法涉及伦理问题，并不适用于人类，因此，并不
能应用于人类再生医学领域。
1.2　细胞融合(cell fusion)
细胞融合是指用化学或生物学方法将两种或者
多种细胞类型的细胞形成一个细胞整体。科学家曾
经尝试将体细胞与胚胎癌细胞 [8]、胚胎生殖细胞或
者胚胎干细胞融合 [9]，得到的细胞均能向干细胞方
向转变。人的胚胎干细胞也能在细胞融合后重编程
体细胞核 [10-11]，在细胞融合之后，沉默的多能性基
因能够被重新启动，进而获得一定的多能性。但是，
通过细胞融合的方法得到的重编程细胞是四倍体。
尽管有实验技术可以选择性地消除原有胚胎干细胞
的染色体 [12]，但是多倍体的细胞仍存在很大程度的
基因组不稳定性，限制了该技术的应用。
1.3　多能细胞提取物(cell extracts)共培养
Taranger等 [13]的研究发现，使用多能细胞提
取物与体细胞共培养，也可以实现体细胞重编程，
但是这一方法依然需要干细胞，依然不能克服伦理
学问题。
1.4　诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem
cell, iPSC)——里程碑式的发现
2006年，Yamanaka实验室发现并报道了体细
胞重编程的一项重大进展 [14]，他们利用逆转录病毒
在小鼠的成纤维细胞中导入 Oct4、 Sox2、Klf4和
c-Myc等 4种转录因子而得到具有大部分干细胞特
性的细胞，因其是由成纤维细胞诱导获得的干细胞，
所以将其命名为诱导性多能干细胞 (iPSCs)。研究
龙　媛，等：改变细胞命运的重编程第3期 329
人员最初选取了 24个与胚胎干细胞相关的基因作
为候选基因，以逆转录病毒为基因载体的方式，用
混合有多种不同基因的病毒感染小鼠成纤维细胞，
最终以细胞形态学特征、胚胎干细胞特定基因的表
达以及畸胎瘤的形成等指标作为诱导性多能干细胞
多能性的鉴定指标。实验中最终将 24个候选基因
减少到 Oct4、Sox2、Klf4和 c-Myc这 4个转录因子。
在这篇文章中，研究人员成功得到了具有三胚层特
定组织的畸胎瘤，说明分化细胞通过重编程重新获
得了向三个胚层细胞分化的能力 (多能性 )。这一
突破为干细胞研究领域，乃至整个生命科学领域都
带来了概念性的革新。iPSC技术对于干细胞自我更
新机制的研究、干细胞信号调控的研究以及很多疾
病的发病机制和治疗研究都有很大意义，在临床疾
病治疗方面的应用价值巨大。它不但脱离了传统的
核移植或者细胞融合等获取干细胞的方式，避免了
破坏胚胎的伦理学问题；并且，它由成体细胞重编
程为胚胎干细胞的特性还避免了免疫排斥，使得自
体移植变得更加可行。
在此之后，Takahashi等 [15]和 Yu等 [16]也分别
获得人成纤维细胞来源的 iPSC。目前，科学家已经
可以从神经祖细胞 [17]、皮肤细胞 [18]、精原细胞 [19]、
头发角质细胞 [20]，胰岛 β细胞 [21]和淋巴细胞 [22]等
获得 iPSC。这些细胞分别代表 3个胚层来源的分化
细胞，表明从不同组织来源的体细胞都能获得
iPSC。在临床疾病治疗方面，已有多个研究小组直
接利用患者的细胞诱导获得 iPSC，包括肌萎缩性脊
髓侧索硬化症 (ALS)[23]、脊髓性肌萎缩症 (SMA)[24]、
帕金森病 [25]等。这些患者来源的 iPSC可望成为药
物筛选、疾病模型建立和疾病治疗的有力工具。
2　iPSC诱导技术进展
作为一项新诞生的技术，iPSC技术具有独特
的优势，但也存在不少缺陷。优势在于 iPSC诱导
可以通过明确的操作，如特定转录因子的表达、特
定基因的敲除及靶点明确的化合物处理等，探究重
编程的机制。但 iPSC诱导过程中使用了 Klf4和
c-Myc等原癌基因，以及导入方式可能引起插入突
变等，存在不安全因素；同时，iPSC诱导效率也很
低 (Yamanaka等在 2006年报道的 iPS诱导效率仅
有万分之几 )。为了解决这些问题，科学家做了很
多诱导方法上的改进。
在减少转录因子的使用方面，2010年已有多
个研究小组可以将最初的Oct4、 Sox2、Klf4和 c-Myc
等 4种因子减少到能单独运用 Oct4一种因子即可
获得能够产生嵌合体小鼠的 iPSC[26-27]。在转录因子
导入细胞的方式上，最初使用的是逆转录病毒或是
慢病毒 [28]等整合载体，后来科学家尝试使用非整合
的方式进行基因导入，包括使用腺病毒载体转染 [29]
或直接使用质粒反复进行瞬转 [30]，也有使用转座子
作为插入方式 [31]的，运用细胞通透蛋白经过修饰
的 RNA、小 RNA等也是非整合诱导方式的主要途
径。目前，非病毒介导的人类 iPSC已经获得 [32]。
这些方法虽然一定程度上解决了安全性或低效率的
问题，但仍没有一种方法能高效安全地得到 iPSC。
3　小分子化合物在iPSC研究中的应用
从 iPSC技术诞生起，许多小分子化合物陆续
出现在 iPSC相关研究成果之中。这些小分子化合
物不仅能够提高效率，有些还可以替代四因子中一
个或多个；而且，小分子化合物因为其靶点相对清晰、
便于操作、作用可控，并且能够特异性地调节某些
蛋白质的功能，在干细胞机制研究中也非常重要。
表 1中列出了目前报到的能够促进重编程的小
分子化合物。根据这些小分子的作用机制，可以分
为表观遗传调节剂、EMT-MET调节剂、代谢调节剂、
其他促进重编程的化合物以及维持自我更新的化合
物等几大类。下面我们将分别加以阐述。
3.1　促进转录因子诱导的重编程
3.1.1　表观遗传调节剂
在重编程过程中，原本在体细胞中处于沉默状
态的多能性基因启动，分化相关基因沉默，这一过
程由表观遗传修饰直接调控，因此，直接作用于表
观遗传的小分子化合物对于重编程的影响很大。这
些小分子主要作用于组蛋白去乙酰化酶、DNA 甲
基转移酶、组蛋白甲基转移酶、去甲基化酶等靶点。
3.1.1.1　组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,
HDAC)抑制剂
已报道的促进重编程的 HDAC抑制剂包括
VPA、TSA、SAHA和丁酸钠 [33-34]。VPA可以将重
编程的效率提高 50倍 (三因子诱导 )或 100倍 (四
因子诱导 )，还可以在无病毒的重组蛋白诱导重编
程的过程中促进重编程。VPA通过推动组蛋白乙酰
化，改变细胞整体的转录活性，并且和其他的
HDAC抑制剂一样可以使MEF细胞具有更为松散
的染色体结构，从而易于外源转录因子的结合。
3.1.1.2　DNA甲基转移酶抑制剂
在分化细胞中，内源的多能性基因 Oct4、
杰出女科学家专刊 第27卷330
表1　促进重编程的小分子化合物
名称 性质 作用 参考文献
VPA(丙戊酸) HDAC抑制剂 提高OSKM 诱导效率，可与Oct4 [33]
　和Sox2诱导hiPS
TSA HDAC抑制剂 提高OSKM 诱导效率 [34]
SAHA HDAC抑制剂 提高OSKM 诱导效率 [34]
NaB(丁酸钠) HDAC抑制剂 提高OSKM 诱导效率 [34]
5-AZA DNMT抑制剂 提高OSKM 诱导效率 [35]
BIX-01294 G9a HMTase抑制剂 促进 NPC 和 MEF重编程 [36]
Parnate LSD1抑制剂 可与Oct4 和Klf4诱导hiPS [37]
LiCl LSD1和 GSK3的抑制剂 提高OSKM 诱导效率，可与Oct4组合诱导hiPS [38]
Vitamin C 增强Tet活性，促进DNA去甲基化 提高OSKM 诱导效率 [39-40]
Anisomycin p38 MAPK激活剂 提高OSKM 诱导效率 [41]
A83-01 ALK4/5/7抑制剂 促进重编程，与MEK和Rock 抑制剂组合促进 [42-43]
　人成纤维细胞重编程
616452 (RepSox) ALK5抑制剂 促进重编程，在重编程过程中替代Sox2 [44]
Apigenin E-cadherin诱导剂 提高OSKM 诱导效率 [45]
luteolin E-cadherin诱导剂 提高OSKM 诱导效率 [45]
Thiazovivin ROCK抑制剂 促进人成纤维细胞重编程 [46]
PS48 PDK1/PI3K/Akt的激活剂 与Oct4组合诱导hiPS [27]
2,4-dinitrophenol 氧化呼吸链解偶联剂 与Oct4组合诱导hiPS [27]
(DNP)
Fructose 6-phosphate 刺激糖酵解 与Oct4组合诱导hiPS [27]
Nicotinic acid 刺激糖酵解 与Oct4组合诱导hiPS [27]
Quercetin 激活HIF通路 与Oct4组合诱导hiPS [27]
CD437 RAR激动剂 提高OSKM 诱导效率 [47]
AM580 RAR激动剂 提高OSKM 诱导效率 [47]
Rapamycin mTOR的抑制剂 提高OSKM 诱导效率 [48]
PP242 mTOR的抑制剂 提高OSKM 诱导效率 [48]
LY294002 PI3K抑制剂 提高OSKM 诱导效率 [48]
PD0325901 MEK抑制剂 促进人成纤维细胞重编程，维持干细胞自我更新 [43,49]
CHIR99021 GSK3抑制剂 提高Oct4 和Klf4 诱导效率，维持干细胞自我更新 [49]
BIO (6-Bromoindirubin GSK3β抑制剂 在无滋养层细胞的条件下维持干细胞自我更新 [50]
-3’-oxime)
Y-27632 ROCK抑制剂 提高小鼠和人的干细胞复苏存活率，有助于维持 [51]
　自我更新
Sunitinib RTK抑制剂 在无滋养层细胞的条件下维持小鼠干细胞自我 [52]
　更新，提高Oct4诱导效率
Forskolin 腺苷酸环化酶激活剂 提高SKM诱导效率，与其他化合物诱导 CiPS [53]
DZNep 组蛋白甲基转移酶抑制剂 与其他化合物诱导 CiPS [53]
TTNPB 维甲酸受体激动剂 提高CiPS诱导效率 [53]
Nanog等因为启动子区域的甲基化而处于沉默状
态，因此，DNA 甲基转移酶抑制剂能够促进重编程，
帮助克服 DNA甲基化这一障碍。Meissner实验室
使用 DNA甲基转移酶抑制剂 AZA处理重编程过程
中的细胞，细胞的 Oct4基因启动子区域 DNA甲基
化去除，Oct4基因重新激活 [35]。
3.1.1.3　组蛋白甲基转移酶、去甲基化酶抑制剂
G9a组蛋白甲基转移酶抑制剂 BIX-02194能够
将 OK两因子诱导的神经前体细胞重编程效率提
高 8倍 [36]。曾有报道，G9a组蛋白甲基转移酶可以
在分化时下调 Oct4，还可以失活 Nanog、Dnmt31
等多能性基因 [54]，因此，G9a可能是多能细胞中
龙　媛，等：改变细胞命运的重编程第3期 331
DNA甲基化和转录抑制的重要调节分子。BIX通
过抑制 G9a推动重编程，这也说明特定位点的组蛋
白修饰 (如 BIX所针对的 H3K9me2)对重编程的过
程有着重要的影响。
LSD-1 (lysine-specific demethylase)抑制剂 Parnate
能够和其他化合物合用完成 OK两因子诱导的人原
始角质细胞重编程 [37]。本课题组研究发现，GSK3
(glycogen synthase kinase 3)的抑制剂 LiCl可以明显
提高诱导效率，并能与其他化合物完成 Oct4一因
子诱导；在机制研究中发现，LiCl也可以抑制
LSD-1[38]。LSD-1是 2004年发现的赖氨酸特异组
蛋白去甲基化酶，能够特异性地去甲基化组蛋白
H3K4me3[55]。而 H3K4me3正是胚胎干细胞中染色
体活性的特异性标记分子，因此，抑制 LSD-1也对
重编程有推动作用。
3.1.1.4　其他表观遗传调节剂
具有抗氧化、抗衰老作用的 Vitamin C对人和
小鼠的 iPSC诱导都有明显的促进作用，这种作用
是通过对 H3K36的去甲基化来实现对多能性基因
的表达调控 [39]。同时，Vitamin C可显著增强 DNA
羟化酶 Tet氧化 5-甲基胞嘧啶的活性，进而促进
DNA去甲基化作用 [40]。本课题组研究还发现，高
渗条件可以激活 P38，降低细胞整体的 DNA甲基
化水平，促进重编程；抑制蛋白质合成的化合物
Anisomycin也可以激活 P38，提高诱导效率 [41]。
3.1.2　间质-上皮转化调节剂
iPSC诱导常用的细胞是成纤维细胞，重编程
过程中会发生间质 -上皮转化 (mesenchymal-to-
epithelial transition, MET)。MET过程由外源的重编
程转录因子引发，整个过程包含了细胞从基因表达
到细胞形态和功能的重大改变，包括表皮特异基因
的上调、细胞形态的变化、细胞紧密连接的增加等。
TGFβ (transforming growth factor β)信号通路是MET
所必需的信号通路。TGFβ信号通路的抑制剂 A-83-
01可以推动 EMT，促进并加快重编程 [42]；另一个
TGFβ信号通路抑制剂 616452 (Repsox)可以在重编
程中替代 Sox2[44]；apigenin和 luteolin可以在重编
程早期通过上调上皮特异基因 E-cadherin促进重编
程 [45]；另有研究发现，ROCK抑制剂 Thiazovivin可
以通过提高 E-cadherin稳定性加强细胞间相互作用，
与其他药物合用促进重编程 [46]。
3.1.3　代谢调节剂
已分化的细胞能量主要来源于线粒体内的氧化
磷酸化，而干细胞能量主要来源于糖酵解 [56]。因此，
在体细胞重编程过程中，一定伴随着代谢活动的转
变，而推动这一变化的小分子就可能促进重编程。3-
磷酸肌醇依赖性蛋白激酶 1(PDK1)的小分子激活剂
PS48通过激活 PI3K/Akt信号通路，提高糖酵解相
关基因的表达，可与 Oct4完成人 iPSC的诱导 [27]；
线粒体解偶联化合物 2,4-dinitro-phenol (DNP)也可
以明显提高诱导效率 [27]；刺激糖酵解的果糖 -6-磷
酸 (fructose 6-phosphate)、烟酸 (nicotinic acid)等也
有相似作用 [27]；而激活 HIF通路的 Quercetin也可
以促进糖酵解，进而推动重编程 [27]。
3.1.4　其他促进重编程的小分子
重编程过程是一个复杂的变化过程，多条信号
通路参与其中，能够调控这些通路的小分子也陆续
被报道能够促进重编程，如 RAR激动剂 CD437和
AM580[47]、mTOR抑制剂雷帕霉素 (Rapamycin)和
PP242[48]、PI3K抑制剂 LY294002[48]等。这些化合
物的发现，帮助研究人员明确了很多与重编程相关
的生命活动，极大地推动了机制研究。
3.1.5　维持自我更新的化合物
iPSC诱导过程可以分为两个步骤，首先是用
各种方法推动体细胞向干细胞转变，然后就是维持
获得的 iPSC的自我更新能力，因此，有利于干细
胞维持自我更新能力的化合物往往也对重编程有
利。最初，胚胎干细胞在体外培养时，需要养在滋
养层细胞上，培养基中要包含血清才能维持 ES的
自我更新能力 [3,57]。后来的研究发现，滋养层细胞
通过分泌 LIF (leukemia inhibitor factor)来维持干细
胞的特性 [58]，而血清中的 BMP4 (bone morpho ge-
netic protein 4)也有维持自我更新的能力 [59]。维持
自我更新包含保持无限增值和抑制分化两方面。
LIF激活 STAT3信号通路刺激干细胞增殖，而
BMP4通过 SMAD通路抑制分化来发挥作用。此外，
bFGF[60-61]、TGFβ/activin A[62-63]、Wnt[3,49] 等与增殖
和分化有关的通路也被报道和自我更新有关，而能
调控这些重要通路的小分子在维持自我更新能力
方面的作用也多有报道，如 MEK信号抑制剂
PD0325901和 GSK3信号通路抑制剂 CHIR99021
联用可以抑制分化 [49]，被广泛运用到干细胞培养和
iPSC诱导中；GSK3β的抑制剂 BIO可以在无滋养
层细胞的条件下维持干细胞自我更新 [50]；ROCK抑
制剂 Y-27632可以抑制干细胞凋亡，维持自我更
新 [51]；本课题组发现抗肿瘤药物舒尼替尼 (Sunitinib)
通过抑制 VEGF受体可有效防止胚胎干细胞的自发
分化，并在无 LIF和滋养层细胞的条件下促进干细
杰出女科学家专刊 第27卷332
胞自我更新，舒尼替尼也可以促进 Oct4一因子诱
导的体细胞重编程 [52]。
3.2　全化合物组合诱导iPSC
至 2010年，外源病毒表达 Oct4一因子并加
入化合物组合就可以在小鼠和人的系统中实现重
编程 [27,43]。邓宏魁实验室用 VPA、CHIR99021、
6616452、反苯环丙胺 (Tranylcypromine)与 Oct4一
因子得到了小鼠的 iPSC[27]；丁胜实验室用 NaB、
PS48、A-83-01和 PD0325901等 4个化合物与 Oct4
一因子获得了人的 iPSC[43]。Oct4一因子与化合物
组合成功诱导 iPSC，给了科学家研究全化合物诱导
iPSC的信心，研究人员开始致力于研究全化合物诱
导重编程。
2013年 7月，邓宏魁实验室发现，仅使用 7
个小分子化合物组合就可以完成小鼠体细胞重编
程，这样得到的 iPSC被称为化合物诱导多能干细
胞，简称为 CiPSC[53]；在进一步研究中，化合物最
少可以减至 4个，虽然诱导效率会明显下降，但是
仍能得到具有多能性的干细胞。邓宏魁实验室使用
的 7个小分子化合物是VPA、CHIR99021、6616452、
Tranylcypromine、Forskolin、DZNep 和 TTNPB。
VPA、CHIR99021、6616452和 Tranylcypromine与
Oct4一因子组合可以实现重编程 [27]，而 Forskolin
与 Sox2、Klf4和 c-Myc组合也可以完成重编程，
这 5个化合物再与组蛋白甲基化抑制剂 DZNep和
维甲酸受体激动剂 TTNPB组合，最终完成了
CiPSC的诱导。CiPSC由于没有外源基因的干预，
只是靠作用靶点相对明确、作用效果可控的化合物
来实现，理论上可以解决外源基因导致的 iPSC的
安全隐患，对于 iPSC真正用于临床意义重大。
4　转分化
重编程是分化细胞重回到全能细胞的细胞命
运转化，是一个“逆转”过程。除此之外，科学
家通过导入特定转录因子、化合物处理等方法，
将分化的成体细胞转变为另一种细胞，这一过程
被定义为转分化 (trans-differentiation)。转分化从
技术方面分为直接转分化 (direct trans-differentiation)
和间接谱系转化 (indirect lineage conversion, ILC)。
近年来，随着重编程的发展，转分化研究也取得
了长足进展。类似减因子和全化合物诱导 iPSC，
科学家也在不断利用转录因子、转录因子加小分
子，甚至全化合物诱导细胞转分化获得各种有功
能的细胞。
4.1　直接转分化
顾名思义，直接转分化就是在体外或体内直接
将一种已分化细胞变成另外一种。科学家已经完成
了多种细胞的转分化，如 Ieda等 [64]将小鼠心脏及
尾尖的成纤维细胞直接转分化为诱导性心肌细胞
(induced cardiomyocytes, iCMs)； Huang 等 [65] 将小
鼠胚胎成纤维细胞及小鼠尾尖成纤维细胞转化为具
有功能的诱导性肝样细胞 (induced hepatocyte-like
cell, iHep)；Cheng等 [66]利用小分子化合物组合将
小鼠胚胎成纤维细胞转分化为神经干细胞 (NPC)；
2014年，科学家还成功将人的成纤维细胞转变为功
能性的黑色素细胞，为治愈白癜风等皮肤病、筛查
黑色素细胞瘤等提供了帮助 [67]。
直接转分化最理想的情况就是将细胞命运原地
转变，如心肌、大脑、肝脏等重要器官发生损伤时，
将成纤维细胞等原地转分化为心肌细胞、神经干细
胞等，从而治愈损伤。2008年，科学家成功用转录
因子在小鼠胰腺中将外分泌细胞转分化为可产生胰
岛素的内分泌细胞 [68]，在小鼠上初步实现了这一理
想。相信在不远的将来，不依赖转录因子的、更安
全的途径，如小分子诱导体内转分化，将为临床治
疗做出巨大贡献。
4.2　间接谱系转化
2012 年，Kurian 等 [69] 将 Sox2、Oct4、Klf4、
MYCL1、LIN28及 shP53等 6因子导入人皮肤成纤
维细胞，在 iPSC培养体系中培养，在使细胞达到
一种中间态后转入中胚层诱导培养基，获得了具有
分化为内皮细胞和血管平滑肌细胞的能力的 CD34+
细胞。这种先部分重编程，然后再分化为特定细
胞的转化技术称作间接谱系转化 (indirect lineage
conversion, ILC)。这种技术能够快速地完成转化，
并且从中间态分化时，只要给予合适的分化诱导条
件，就可方便地获得各种想要的细胞，因此具有广
阔的应用前景。
5　小结与展望
综上，应用体细胞重编程技术可将已分化的细
胞的平衡状态打破，使之处在一种活化状态，从而
推动细胞内一系列生物过程变化，使之重新获得自
我更新能力和多向分化潜能。体细胞重编程技术打
破“终末细胞”这一概念，实现了生命过程的逆转，
具有重大的科学意义和应用价值。2012 年诺贝尔生
理学或医学奖颁给了体细胞重编程领域的两位科学
家：英国剑桥大学格登研究所的 John Bertrand
龙　媛，等：改变细胞命运的重编程第3期 333
Gurdon和日本京都大学再生医科研究所的 Shinya
Yamanaka，这不仅是对两位科学家的表彰，也是对
重编程研究对生命科学的贡献的肯定。目前，关于
重编程和转分化的研究方兴未艾，并且不断取得新
的进展。2014年 9月，日本开始了世界首例应用
iPSC的临床研究 。科学家将一名老年性黄斑变性
患者的皮肤细胞诱导成 iPSC，然后将这些细胞诱导
为视网膜色素上皮细胞，移植到受损的视网膜处。
术后将对患者观察 1~3年，以确定疗效和安全性。
相信在全世界科学家的共同努力下，这些新技术将
在不远的将来真正广泛用于临床治疗，为人类的健
康做出巨大贡献。
[参　考　文　献]
[1] Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, et al.
Embryonic s tem cel l l ines derived from human
blastocysts. Science, 1998, 282(5391): 1145-7
[2] Rossant J. Stem cells from the mammalian blastocyst.
Stem Cells, 2001, 19(6): 477-82
[3] Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of
pluripotential cells from mouse embryos. Nature, 1981,
292(5819): 154-6
[4] Briggs R, King TJ. Transplantation of living nuclei from
blastula cells into enucleated frogs eggs. Proc Natl Acad
Sci USA, 1952, 38(5): 455-63
[5] Gurdon JB. Adult frogs derived from the nuclei of single
somatic cells. Dev Biol, 1962, 4: 256-73
[6] Wilmut I, Schnieke AE, McWhir J, et al. Viable offspring
derived from fetal and adult mammalian cells. Nature,
1997, 385(6619): 810-3
[7] Gurdon JB . F rom nuc l ea r t r ans f e r t o nuc l ea r
reprogramming: the reversal of cell differentiation. Annu
Rev Cell Dev Biol, 2006, 22: 1-22
[8] Solter D. From teratocarcinomas to embryonic stem cells
and beyond: a history of embryonic stem cell research.
Nat Rev Genet, 2006, 7(4): 319-27
[9] Zwaka TP, Thomson JA. A germ cell origin of embryonic
stem cells? Development, 2005, 132(2): 227-33
[10] Cowan CA, Atienza J, Melton DA, et al. Nuclear
reprogramming of somatic cells after fusion with human
embryonic stem cells. Science, 2005, 309(5739): 1369-73
[11] Yu J, Vodyanik MA, He P, et al. Human embryonic stem
cells reprogram myeloid precursors following cell-cell
fusion. Stem Cells, 2006, 24(1): 168-76
[12] Matsumura H, Tada M, Otsuji T, et al . Targeted
chromosome elimination from ES-somatic hybrid cells.
Nat Methods, 2007, 4(1): 23-5
[13] Taranger CK, Noer A, Sorensen AL, et al. Induction of
ded i ffe ren t ia t ion , genomewide t ranscr ip t iona l
programming, and epigenetic reprogramming by extracts
of carcinoma and embryonic stem cells. Mol Biol Cell,
2005, 16(12): 5719-35
[14] Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem
cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures
by defined factors. Cell, 2006, 126(4): 663-76
[15] Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al. Induction of
pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by
defined factors. Cell, 2007, 131(5): 861-72
[16] Yu J, Vodyanik MA, Smuga-Otto K, et al. Induced
pluripotent stem cell lines derived from human somatic
cells. Science, 2007, 318(5858): 1917-20
[17] Eminli S, Utikal J, Arnold K, et al. Reprogramming of
neural progenitor cells into induced pluripotent stem cells
in the absence of exogenous Sox2 expression. Stem Cells,
2008, 26(10): 2467-74
[18] Hanna J, Wernig M, Markoulaki S, et al. Treatment of
sickle cell anemia mouse model with iPS cells generated
from autologous skin. Science, 2007, 318(5858): 1920-3
[19] Kossack N, Meneses J, Shefi S, et al. Isolation and
characterization of pluripotent human spermatogonial
stem cell-derived cells. Stem Cells, 2009, 27(1): 138-49
[20] Aasen T, Raya A, Barrero MJ, et al. Efficient and rapid
generation of induced pluripotent stem cells from human
keratinocytes. Nat Biotechnol, 2008, 26(11): 1276-84
[21] S t a d t f e l d M , B r e n n a n d K , H o c h e d l i n g e r K .
Reprogramming of pancreatic β cells into induced
pluripotent stem cells. Curr Biol, 2008, 18(12): 890-4
[22] Hanna J, Markoulaki S, Schorderet P, et al. Direct
reprogramming of terminally differentiated mature B
lymphocytes to pluripotency. Cell, 2008, 133(2): 250-64
[23] Dimos JT, Rodolfa KT, Niakan KK, et al. Induced
pluripotent stem cells generated from patients with ALS
can be differentiated into motor neurons. Science, 2008,
321(5893): 1218-21
[24] Ebert AD, Yu J, Rose FF Jr, et al. Induced pluripotent stem
cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature, 2009,
457(7227): 277-80
[25] Soldner F, Hockemeyer D, Beard C, et al. Parkinsons
disease patient-derived induced pluripotent stem cells free
of viral reprogramming factors. Cell, 2009, 136(5): 964-
77
[26] Kim JB, Sebastiano V, Wu G, et al. Oct4-induced
pluripotency in adult neural stem cells. Cell, 2009, 136(3):
411-9
[27] Zhu S, Li W, Zhou H, et al. Reprogramming of human
primary somatic cells by OCT4 and chemical compounds.
Cell Stem Cell, 2010, 7(6): 651-5
[28] Stadtfeld M, Nagaya M, Utikal J, et al. Induced
pluripotent stem cells generated without viral integration.
Science, 2008, 322(5903): 945-9
[29] Okita K, Nakagawa M, Hyenjong H, et al. Generation of
mouse induced pluripotent stem cells without viral
vectors. Science, 2008, 322(5903): 949-53
[30] Woltjen K, Michael IP, Mohseni P, et al. piggyBac
transposition reprograms fibroblasts to induced pluripotent
stem cells. Nature, 2009, 458(7239): 766-70
[31] Yu J, Hu K, Smuga-Otto K, et al. Human induced
pluripotent stem cells free of vector and transgene
sequences. Science, 2009, 324(5928): 797-801
杰出女科学家专刊 第27卷334
[32] Warren L, Manos PD, Ahfeldt T, et al. Highly efficient
r e p r o g r a m m i n g t o p l u r i p o t e n c y a n d d i r e c t e d
differentiation of human cells with synthetic modified
mRNA. Cell Stem Cell, 2010, 7(5): 618-30
[33] Huangfu D, Maehr R, Guo W, et al. Induction of
pluripotent stem cells by defined factors is greatly
improved by small-molecule compounds. Nat Biotechnol,
2008, 26(7): 795-7
[34] Mali P, Chou BK, Yen J, et al. Butyrate greatly enhances
derivation of human induced pluripotent stem cells by
promoting epigenetic remodeling and the expression of
pluripotency-associated genes. Stem Cells, 2010, 28(4):
713-20
[35] Mikkelsen TS, Hanna J, Zhang X, et al. Dissecting direct
reprogramming through integrative genomic analysis.
Nature, 2008, 454(7200): 49-55
[36] Shi Y, Do JT, Desponts C, et al. A combined chemical and
genetic approach for the generation of induced pluripotent
stem cells. Cell Stem Cell, 2008, 2(6): 525-8
[37] Li W, Zhou H, Abujarour R, et al. Generation of human-
induced pluripotent stem cells in the absence of exogenous
Sox2. Stem Cells, 2009, 27(12): 2992-3000
[38] Wang Q, Xu X, Li J, et al. Lithium, an anti-psychotic
drug, greatly enhances the generation of induced
pluripotent stem cells. Cell Res, 2011, 21(10): 1424-35
[39] Esteban MA, Wang T, Qin B, et al. Vitamin C enhances
the generation of mouse and human induced pluripotent
stem cells. Cell Stem Cell, 2010, 6(1): 71-9
[40] Yin R, Mao SQ, Zhao B, et al. Ascorbic acid enhances
Tet-mediated 5-methylcytosine oxidation and promotes
DNA demethylation in mammals. J Am Chem Soc, 2013,
135(28): 10396-403
[41] Xu X, Wang Q, Long Y, et al. Stress-mediated p38
activation promotes somatic cell reprogramming. Cell
Res, 2013, 23(1): 131-41
[42] Li R, Liang J, Ni S, et al. A mesenchymal-to-epithelial
transition initiates and is required for the nuclear
reprogramming of mouse fibroblasts. Cell Stem Cell,
2010, 7(1): 51-63
[43] Yuan X, Wan H, Zhao X, et al. Brief report: combined
chemical treatment enables Oct4-induced reprogramming
from mouse embryonic fibroblasts. Stem Cells, 2011,
29(3): 549-53
[44] Ichida JK, Blanchard J, Lam K, et al. A small-molecule
inhibitor of Tgf-β signaling replaces Sox2 in reprogramming
by inducing Nanog. Cell Stem Cell, 2009, 5(5): 491-503
[45] Chen T, Yuan D, Wei B, et al. E-cadherin-mediated cell-
cell contact is critical for induced pluripotent stem cell
generation. Stem Cells, 2010, 28(8): 1315-25
[46] Lin T, Ambasudhan R, Yuan X, et al. A chemical platform
for improved induction of human iPSCs. Nat Methods,
2009, 6(11): 805-8
[47] Wang W, Yang J, Liu H, et al. Rapid and efficient
reprogramming of somatic cells to induced pluripotent
stem cells by retinoic acid receptor gamma and liver
receptor homolog 1. Proc Natl Acad Sci USA, 2011,
108(45): 18283-8
[48] Chen T, Shen L, Yu J, et al. Rapamycin and other
longevity-promoting compounds enhance the generation
of mouse induced pluripotent stem cells. Aging Cell, 2011,
10(5): 908-11
[49] Ying QL, Wray J, Nichols J, et al. The ground state of
embryonic stem cell self-renewal. Nature, 2008,
453(7194): 519-23
[50] Sato N, Meijer L, Skaltsounis L, et al. Maintenance of
pluripotency in human and mouse embryonic stem cells
through activation of Wnt signaling by a pharmacological
GSK-3-specific inhibitor. Nat Med, 2004, 10(1): 55-63
[51] Watanabe K, Ueno M, Kamiya D, et al. A ROCK inhibitor
permits survival of dissociated human embryonic stem
cells. Nat Biotechnol, 2007, 25(6): 681-6
[52] Chen G, Xu X, Zhang L, et al. Blocking autocrine VEGF
signaling by sunitinib, an anti-cancer drug, promotes
embryonic stem cell self-renewal and somatic cell
reprogramming. Cell Res, 2014, 24(9): 1121-36
[53] Hou P, Li Y, Zhang X, et al. Pluripotent stem cells induced
from mouse somatic cells by small-molecule compounds.
Science, 2013, 341(6146): 651-4
[54] Feldman N, Gerson A, Fang J, et al. G9a-mediated
irreversible epigenetic inactivation of Oct-3/4 during early
embryogenesis. Nat Cell Biol, 2006, 8(2): 188-94
[55] Shi Y, Lan F, Matson C, et al. Histone demethylation
mediated by the nuclear amine oxidase homolog LSD1.
Cell, 2004, 119(7): 941-53
[56] Varum S, Rodrigues AS, Moura MB, et al. Energy
metabolism in human pluripotent stem cells and their
differentiated counterparts. PLoS One, 2011, 6(6): e20914
[57] Martin GR. Isolation of a pluripotent cell line from early
mouse embryos cultured in medium conditioned by
teratocarcinoma stem cells. Proc Natl Acad Sci USA,
1981, 78(12): 7634-8
[58] Williams RL, Hilton DJ, Pease S, et al. Myeloid leukaemia
inhibitory factor maintains the developmental potential of
embryonic stem cells. Nature, 1988, 336(6200): 684-7
[59] Ying QL, Nichols J, Chambers I, et al. BMP induction of
Id proteins suppresses differentiation and sustains
embryonic stem cell self-renewal in collaboration with
STAT3. Cell, 2003, 115(3): 281-92
[60] Ludwig TE, Levenstein ME, Jones JM, et al. Derivation of
human embryonic stem cells in defined conditions. Nat
Biotechnol, 2006, 24(2): 185-7
[61] Xu RH, Peck RM, Li DS, et al . Basic FGF and
suppression of BMP signaling sustain undifferentiated
proliferation of human ES cells. Nat Methods, 2005, 2(3):
185-90
[62] Vallier L, Reynolds D, Pedersen RA. Nodal inhibits
differentiation of human embryonic stem cells along the
neuroectodermal default pathway. Dev Biol, 2004, 275(2):
403-21
[63] Beattie GM, Lopez AD, Bucay N, et al. Activin A
maintains pluripotency of human embryonic stem cells in
the absence of feeder layers. Stem Cells, 2005, 23(4): 489-
95
[64] Ieda M, Fu JD, Delgado-Olguin P, et al . Direct
龙　媛，等：改变细胞命运的重编程第3期 335
rep rog ramming o f f i b rob la s t s i n to func t iona l
cardiomyocytes by defined factors. Cell, 2010, 142(3):
375-86
[65] Huang P, He Z, Ji S, et al. Induction of functional
hepatocyte-like cells from mouse fibroblasts by defined
factors. Nature, 2011, 475(7356): 386-9
[66] Cheng L, Hu W, Qiu B, et al. Generation of neural
progenitor cells by chemical cocktails and hypoxia. Cell
Res, 2014, 24(6): 665-79
[67] Yang R, Zheng Y, Li L, et al. Direct conversion of mouse
and human fibroblasts to functional melanocytes by
defined factors. Nat Commun, 2014, 5: 5807
[68] Zhou Q, Brown J, Kanarek A, et al. In vivo reprogramming
of adult pancreatic exocrine cells to β-cells. Nature, 2008,
455(7213): 627-32
[69] Kurian L, Sancho-Martinez I, Nivet E, et al. Conversion
of human fibroblasts to angioblast-like progenitor cells.
Nat Methods, 2013, 10(1): 77-83