全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第5期
2009年10月
Vol. 21, No. 5
Oct., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)05-0724-05
收稿日期：2009-08-28
基金项目：国家高技术研究发展计划(“8 6 3”计划)
(2008AA022311; 2006AA02A101); 科技部重大科学研
究计划(2009CB941100); 国家自然科学基金项目
(30670302)
*通讯作者：E-mail: gaoshaorong@nibs.ac.cn
　
疾病特异诱导多能干细胞研究进展
王译萱，蒋永华，高绍荣*
(北京生命科学研究所，北京102206)
摘　要：通过病毒或非病毒转导体系，在小鼠和人的体细胞中人为表达几个与细胞多能性相关的转录因
子，从而使细胞达到类似于胚胎干细胞(embryonic stem cells, ESCs)状态，是近年来新发展起来的体细
胞重编程技术。这些被重编程的细胞称为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS细胞)。这
项技术为获得患者和疾病特异的多能干细胞提供了新的途径。患者和疾病特异的iPS 细胞的获得，不仅
在避免免疫排斥的宿主特异的细胞移植治疗上有广泛前景，并对了解疾病发生机理、药物筛选和毒性研
究有着重要的意义。该文综述从iPS细胞技术的发明入手，着重讨论疾病iPS细胞的研究进展及其在应用
于治疗时亟需解决的问题。
关键词：干细胞；iP S 细胞；疾病 iP S 细胞；重编程；O ct3 /4；Sox 2；c-M yc；Kl f4
中图分类号：Q 8 1 3　　文献标识码：A
Advances in generation of disease-specific induced
pluripotent stem (iPS) cells
WANG Yi-xuan, JIANG Yong-hua, GAO Shao-rong*
(National Institute of Biological Sciences, Beijing 102206, China)
Abstract: A recently developed reprogramming techonology can reprogram mouse and human somatic cells to
an undifferentiated state similar to that of embryonic stem (ES) cells by viral or nonviral transduction of several
specific transcription factors, and the reprogrammed cells are termed induced pluripotent stem (iPS) cells. This
technology has opened a new avenue to generate patient-and disease-specific pluripotent stem cells, which are
useful not only for customized cell transplantation therapy without immune rejection but also for disease
mechanisms understanding, drug screening and toxicology study. In this review, we will discuss the overview
of the development of iPS cells techonology, and focus on the research progress of disease-specific iPS cells
and the problems need to resolve in clinical research.
Key words: stem cell; iPS cells; disease correlated iPS cells; reprogramming; Oct3/4; Sox2; c-Myc; Klf4
1　诱导多能干细胞概述
2006年，日本科学家Takahashi和Yamanaka[1]
运用病毒转导的方法，将一系列转录因子转入小鼠
胚胎成纤维(mouse embryonic fibrobalst, MEF)细胞，
得到了类似于小鼠胚胎干细胞(embroyonic stem cells,
ESCs)的一种细胞，并命名为诱导多能干细胞(induced
pluripotent stem cells, iPS 细胞)。同时，他们运用
ES标记基因Fbx15 筛选系统，得到了获得iPS细胞
的关键因子：Oct3/4、Sox2、c-Myc和 Klf4(图 1)。
小鼠iPS细胞的获得作为重编程领域的重要里程碑，
极大的推动了该领域的发展。
2007年，Okita等[2]和Wernig等[3]分别运用内源
725第5期 王译萱， 等：疾病特异诱导多能干细胞研究进展
Oct4和Nanog的表达作为更严格的筛选系统，得到
了可以嵌合入生殖嵴的iPS细胞。随后Meissner等[4]
和Blelloch等[5]依靠形态观察而非药物筛选，分别获
得了iPS细胞。而近期Kang等[6]和Zhao等[7]通过四
倍体囊胚注射实验，获得了完全由iPS 细胞发育而
来的成体小鼠，从而证明了iPS细胞具有与ES细胞
完全相同的多能性。
2007年，不同国家的科学家运用相似的方法，
通过病毒转导人的成纤维细胞，获得了人的iPS细
胞。Yu 等[8]证明 Oct4、Sox2、Nanog 和 Lin28 可
以将人的体细胞重编程为iPS细胞；而Takahashi等[9]
和Park等[10]则分别证明获得人的iPS细胞的关键因
子与小鼠相同，仍为Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc。
人iPS细胞的获得使人们开始将视线转移到iPS细胞
的医疗应用之中，通过将患者体细胞重编程，获得
患者特异的 iPS 细胞，并进行药物筛选或基因治
疗。iPS 细胞与 ES 细胞相比，更容易获得，因而
具有更广泛的应用前景。
2　疾病相关的iPS细胞研究进展
2007年底，Hanna等[11]通过将人源化的镰刀型
细胞贫血病的小鼠成纤维细胞诱导成iPS细胞，采
取基因打靶技术改正了突变的基因，最后将修正的
iPS 细胞分化得到的造血祖细胞移植回小鼠体内，
首次建立了通过iPS细胞技术进行治疗的小鼠模型
(图2)。在接下来的时间里，疾病相关的iPS 细胞
研究进展飞速：Park 等[12]2008 年首次将包括DMD、
帕金森疾病、亨廷顿舞蹈症和唐氏综合征在内的10
种遗传疾病的患者细胞诱导成iPS细胞，并对这10
种iPS细胞的全能性进行了鉴定；同年，Dimos等[13]
将一位82岁的肌萎缩侧索硬化症(ALS)患者的体细
胞通过病毒转导诱导得到的iPS细胞定向分化为在该
疾病中被损坏的运动神经元；而在2009年Ebert等[14]
将脊髓性肌萎缩症(SMA)患者的皮肤成纤维细胞诱导
得到 iPS 细胞，并将该细胞定向分化成运动神经
元。尤为突出的是，他们通过 SMA 疾病机理研究，
使用 SMN 诱导复合物刺激增加该运动神经元中的
SM N 蛋白水平，从而对该疾病进行治疗。这项研
究为对疾病特异的iPS细胞进行机理研究和药物筛选
打下了良好的基础。
遗传性疾病可通过基因修复的方法进行治疗。
Raya 等[15]运用携带FANCA 蛋白的慢病毒载体感染
Fanconi 贫血症患者的体细胞进行基因修正，再将
修正后的体细胞诱导成iPS细胞，该iPS细胞的FA
通路功能恢复正常，并可分化成正常的造血干细
胞。这是首次通过基因修复，运用疾病特异的iPS
细胞对遗传性疾病进行治疗。
运用基因打靶技术进行定向同源重组是治疗遗
传病的一个主要方向。虽然该技术在小鼠 ES 细胞
中得到了广泛应用，但由于人的 ES 细胞对胰酶尤
为敏感的特性，运用定向打靶进行疾病治疗不仅是
iPS细胞领域，也是人的ES细胞领域所面临的一个
难题。Zou等[16]运用锌指核酸酶(zinc finger nuclease，
ZFN)转染，利用其可诱导靶向基因形成序列特异的
双链DNA断裂，从而在不影响其核型和多能性的前
提下，大大提高人的iPS细胞及ES细胞同源重组效
率，为疾病相关的iPS细胞通过同源重组进行疾病
治疗提供了很好的模型。
图2　运用iPS细胞技术和基因打靶技术治疗镰刀型细
胞贫血病的小鼠模型[11]
图 1　运用病毒转导，通过Fbx15 筛选系统，获得
iPS细胞的方法[1]
726 生命科学：干细胞研究专刊 第21卷
3　疾病iPS细胞在应用研究中遇到的问题和需要的
改进
疾病iPS细胞研究虽然推动了干细胞领域向实
际应用的进展，但真正将疾病特异的iPS细胞应用
于临床还有很大的距离，面临很多问题。这些问题
包括：如何用其他类型的体细胞而非患者皮肤细胞
获得iPS 细胞；如何提高iPS 细胞重编程的效率；
如何解决由于病毒转导而使外源基因整合入患者基
因组所带来的危险；最基本的一个问题——iPS 细
胞重编程的机制是什么。解决这些问题不仅是疾病
iPS细胞研究中的重点，也是整个iPS细胞和干细胞
领域的重点。
3.1　用非成纤维细胞的体细胞重编程获得iPS细胞
　在用成纤维细胞成功重编程获得iPS 细胞后，人
们开始试着把目标转向其他类型的体细胞。2008
年，Aoi等[17]首先运用病毒转导体系，将成体小鼠
的肝细胞和胃上皮细胞重编程为iPS细胞，并证明
了iPS细胞的形成与特定病毒整合位点无关。同年
4月，Hanna 等[18]运用转基因和Dox 诱导系统，将
小鼠非终末分化的B细胞成功重编程为iPS细胞，并
在四个转录因子诱导表达基础上，再过表达C/EBPα
或特定干涉B细胞转录因子Pax5，可将终末分化的
B 淋巴细胞完全重编程。这项研究充分证明了终末
分化的细胞仍可被体外重编程为多能细胞(图 3)。
而Kim等[19]根据小鼠神经干细胞中表达较高水平的
Sox2和正常水平的c-Myc这一结果，运用Oct3/4和
Klf4两个因子，将其诱导成为iPS细胞。同年7月，
Stadtfeld等[20]将小鼠胰岛β细胞成功诱导为iPS细
胞，为糖尿病的治疗提供了一个新的模型。而
Aasen 等[21]通过四个因子逆病毒转导，将人的角细
胞重编程为iPS细胞，并说明其重编程效率比成纤
维细胞的重编程效率更高，速度更快。这些研究充
分证明了非成纤维体细胞也可以通过iPS技术体外重
编程为多能干细胞，为其医学应用提供了更广阔的
供体体细胞来源。
3.2　提高iPS细胞重编程效率　运用逆转录病毒转
导体细胞虽然可以使其重编程为多能干细胞，但效
率极低，只有 0.1%。低效率诱导必然会造成应用
上的不稳定。提高iPS细胞重编程效率主要有两个
方面：一是尽量减少诱导所需的转录因子；二是
图3　B细胞体外重编程流程图[18]
727第5期 王译萱， 等：疾病特异诱导多能干细胞研究进展
添加化学小分子，通过影响表观遗传修饰，提高重
编程效率。这两个方面是相互联系，相互影响的。
早在iPS技术建立之初，就有文献报道小鼠和
人的iPS细胞都可以在无c-Myc而在其他三个因子的
诱导下形成[22]。虽然这样并不能提高重编程效率，
但避免了原癌基因c-Myc 整合入基因组导致肿瘤易
生性的后果。Kim 等[23 ]根据神经干细胞本身的特
性，在原来利用Oct3/4和Klf4两个因子的基础上进
行改进，只用一个转录因子Oct3/4就可以将神经干
细胞重编程为iPS细胞。而近期有研究采用多顺反
子性的病毒载体，将4个转录因子通过2A自我剪切
多肽序列顺式连接入一个单独的病毒载体，并成功
诱导获得iPS细胞[24,25]。
在添加化学小分子以提高重编程效率研究中，
Huangfu 等[26]通过比较多种DNA甲基化酶抑制剂和
组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂对小鼠iPS诱导效
率的影响，提出HDAC 抑制剂VPA 可将重编程效率
提高约100倍。在接下来的研究中，该实验室在添
加VPA的条件下，只用Oct3/4 和 Sox2 就将人的成
纤维细胞诱导重编程为iPS细胞，避免了原癌基因
c-Myc 和 Klf4整合入基因组可能会带来的负面影
响[27]。而 Shi等[28]和 Li等[29]在研究中发现小分子
BIX01294的添加可以提高iPS诱导效率，并可取代
部分转录因子，比较高效地诱导小鼠神经祖细胞
(NPC)及人的体细胞重编程为多能干细胞。Jaenisch
实验室[30]同样通过建立小分子筛选平台，也筛选出了
可以替代Klf4的小分子。将化学小分子和基因转导方
法联合起来诱导iPS细胞，在提高重编程效率的同
时，尽量避免患者基因组中癌基因的引入，是疾病
iPS 细胞领域的热点和努力方向。
随着小分子RNA(microRNA)研究领域的发展，
小分子 RN A 作为一种易于合成、高效特异、副作
用小的物质，在疾病iPS细胞领域受到了广泛的关
注。有研究证明胚胎干细胞特异的小分子RNA可以
提高iPS细胞诱导效率[31]。如何运用小分子RNA替
代部分或全部转录因子诱导体细胞重编程，也是今
后疾病iPS 细胞研究的重点和热点。
Hotta等[32]采用EOS(早期转座子启动子和Oct4
及 Sox2增强子)筛选系统，通过EGFP和 puromycin
双重筛选，建立了Rett综合征特异的小鼠及人的iPS
细胞系，并大大提高了重编程效率。为提高iPS重
编程效率指出了一种新的方法。
3.3　去除病毒在iPS细胞重编程中可能带来的影响
　在iPS细胞诱导过程中，由病毒转导引入的外源
基因，尤其是c-Myc和Klf4，在整合入基因组后可
能会造成肿瘤发生或基因突变。因而，尽量避免病
毒或病毒整合的介入是疾病iPS研究中的一个重要方
向。
无病毒的 iP S 系统首先是在小鼠模型上建立
的。2008年发表于Science的两篇文章分别采用转
导携带四个转录因子不整合入基因组的腺病毒载体
和重复多次转染携带转录因子的单个非病毒载体获
得了小鼠的iPS细胞[33,34]。Kaji等[35]和Yu等[36]采用
多次重复转染携带转录因子的单个非病毒载体获得
了人的iPS细胞，证明了iPS细胞的产生并不需要外
源基因整合入基因组或持续表达，将iPS技术中引
入的基因组修饰降至最低。而Woltjen等[37]运用转座
子技术，将转录因子通过PiggyBac(PB)转座系统而
非病毒系统导入体细胞中，并使体细胞成功重编
程。该方法不仅避免了病毒系统带来的弊端，而且
提高了无病毒iPS系统的重编程效率。Zhou等[38]运
用重组蛋白直接导入小鼠体细胞，将其重编程为
iPS 细胞。
将Cre-LoxP系统应用于iPS技术也是获得无病
毒iPS细胞的重要途径。Soldner等[39]使用带有LoxP
位点的慢病毒系统，将4个转录因子导入帕金森症
患者的体细胞中，获得了iPS细胞；再使用重组酶
Cre，切除了整合入基因组的外源基因，既保证了
iPS 细胞重编程效率，又避免了病毒引入的基因组
修饰，在疾病iPS细胞的医疗应用中具有指导意义。
综上所述，iPS 重编程技术自产生以来，受到
了广泛的关注。疾病iPS细胞领域由于其在实际应
用中前景广阔而受到了更多的重视。各种各样的患
者特异的iPS 细胞系及细胞库也在建立和鉴定过程
中。但疾病iPS细胞系的建立与其应用之间仍存在
很大的距离。如何提高重编程效率、如何避免病毒
整合或外源基因引入带来的患者基因组变化以及iPS
重编程机理的研究是今后疾病iPS细胞研究的热点和
难点。
[参　考　文　献]
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