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)05-0614-06
细胞重编程中的表观遗传分子机制
张 磊*
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，上海 200031)
摘 要：成体细胞可以通过核移植、细胞融合或者特定因子导入的方式实现重编程回到多能性状态。
在重编程的过程中，表观遗传水平的调控机制起到了非常关键的作用。通过回顾重编程的研究进展来探
讨表观遗传学在重编程中的调控机制。
关键词：干细胞；细胞重编程；表观遗传调控；表观遗传学
中图分类号：Q813；Q75 文献标识码：A
Epigenetic mechanism in cell reprogramming
ZHANG Lei*
(Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: The developmental state of adult cells can be reprogrammed into that of embryonic cells by nuclear
transfer, cell fusion or overexpression of specific transcription factors. Epigenetic mechanism plays a key role in
the reprogramming. Here we reviewed the research process in reprogramming to explore how epigenetic works
in the reprogramming.
Key words: stem cell; cell reprogramming; epigenetic mechanism; epigenetics
每一个生物个体的形成过程都是受精卵分化成
为约220种特定细胞类型，从而形成器官组织的过
程，很长时间以来这种分化过程都被认为是一个单
方向的不可逆的过程。但自20世纪中期开始，人
们发现已分化的细胞在特定的条件下可以转变成为
一种多能性的状态，这个过程被称为重编程。目前
主要的重编程方法包括核移植、细胞融合与目前进
展非常迅速的特定因子导入，即诱导多能性干细胞
induced pluripotent stem cells, PS)[1,2] (图1)。核移植
是指将体细胞核注入到去核的卵母细胞中，从而将
其重编程的方法，它的目的是为了产生克隆动物或
多能性干细胞，但是由此方法产生的克隆动物有很
多不正常的表型，而且效率非常低，由于伦理道德
的问题，一直没有实施在人细胞上。细胞融合是指
体细胞与胚胎干细胞、胚胎精母细胞或者畸胎瘤细
胞融合后的四倍体细胞具有多能性干细胞的特性，
但是其缺点同样明显，四倍体细胞无法应用于治
疗。iPS技术是最近新兴的非常重要的重编程方
法，也是被认为最具有研究和应用前景的方法，它
通过在体细胞内表达特定的多能性因子，从而实现
对体细胞的重编程，但如何使iPS细胞产生效率更
高，更加安全有效，是iPS应用急需解决的问题。
从受精卵分化到体细胞的过程中，每一种细胞
分化潜能状态的维持都是特定基因表达和关闭的结
果。这种特定的表达模式又是由特定的表观遗传修
饰模式所决定的[3]。如图2所示，细胞的分化过程
就像是岩石从山顶经由不同路径滚入几个山谷之一
一样，每一个山谷都象征着一种分化细胞类型。每
当岩石经过一个分叉点的时候，它分化为另一种细
胞类型的潜能就消失了。而重编程是将岩石推上山
的过程，因此需要外力的作用，即特定的重编程方
法。
收稿日期：2009-08-17
*通讯作者：E-mail: leizhang@sibs.ac.cn
615第5期 张 磊：细胞重编程中的表观遗传分子机制
不论是核移植、细胞融合或者特定因子过表达
的方法，即使可以成功地诱导体细胞达到一种多能
性的状态，如果没有特定基因的重新激活和抑制，
还是会分化回到体细胞状态。而这种基因的激活和
抑制是由表观修饰决定的。所以表观遗传水平的调
控是重编程中的关键事件，决定了重编程是否成
功。这种关键的作用主要体现在两个方面：干性
(stemness)维持基因的激活与染色体表观遗传修饰的
改变。
1 干性维持基因的激活
在体细胞中，细胞多能性维持基因的启动子区
域都是高度甲基化的，而在胚胎干细胞中却是低水
平的甲基化[4]。在重编程的过程中，这些甲基化需
要被去除，从而使这些基因表达。例如Oct4是在
发育过程中非常重要的基因，也是胚胎干细胞维持
全能性必需的基因[5]。在核移植的过程中，Oct4被
激活的效率非常低，从而导致了克隆动物的胚胎致
死[6,7]。在发育过程中一系列的机制使Oct4失活(图
3)[8]，在胚胎干细胞体外发育系统中可以清晰地展
示，一些转录抑制子，如鸡卵清蛋白上游启动子转
录因子(chicken ovalbumin upstream promoter-tran-
scription factor, Coup-TF1/2)[9]与生殖细胞核因子
(germ cell nuclear factor, Gcnf)[10]的结合，招募到组
蛋白去乙酰化酶甲基转移酶G9a，而G9a起始了
DNA甲基转移酶3a(DNA methyltransferase 3a，
D N M T 3 a)与 D N A甲基转移酶 3 b(D N A
methyltransferase 3b，DNMT3b)对Oct4启动子区域
的重新甲基化。在这种重新甲基化发生之前，如果
图1 主要重编程的方法
图2 不同分化潜能细胞的表观修饰状态
616 生命科学：干细胞研究专刊 第21卷
将已有一定程度分化的细胞重新置于胚胎干细胞的
培养环境下，Oct4可以被非常有效地激活，这说
明DNA甲基化是Oct4被沉默的唯一因素[11]。而在
发育过程中这种甲基化沉默基因表达的模式同样发
生于其他许多多能性基因，如Nanog、锌指蛋白42
(Zinc finger protein 42，Zf 42)、生长分化因子3
(growth differentiation factor 3，Gdf3)、畸胎瘤来源
生长因子1(teratocarcinoma-derived growth factor 1，
Tdgf1)和发育多能性相关因子4(developmental
pluripotency associated 4，Dppa4)等[12-14]。所以
在重编程的过程中，DNA去甲基化是非常关键的步
骤。但是不论在发育过程中，还是在重编程中，
DNA去甲基化的机制还是未知的。而发育过程中分
别在受精和原始生殖细胞(primordial germ cell, PGCs)
形成过程中发生的二次整体去甲基化可以给我们做
出稍许提示。尤其是PGC的形成过程，包括了消
除DNA与组蛋白甲基化模式、X染色体重激活等，
从某种意义上讲也是重编程的一种。早期PGC的基
因表达与染色质特点与多能性细胞都非常相似，所
以极易转变为多能性状态[15]。而经过DNA甲基转移
酶、组蛋白去乙酰化酶抑制剂处理的小鼠胚胎上皮
细胞也具有相似的基因表达，所以被重编程的效率
大大提高了[16]。在PGC去甲基化的过程中一种碱基
修复机制可能起了重要作用[15]，这是一种基于甲基胞
嘧啶特异的DNA糖基化酶的碱基切除修复机制[17]，
这是一个去甲基化酶主动作用的模型(图4)。这样
一个主动的酶作用模型同样出现在受精过程[18]和核
移植后Oct4 基因启动子区域的去甲基化过程中[19]。
但也有一些研究证实转录因子在去甲基化的过程中起
到关键作用[20]，例如杂色症3-9同系物抑制子
(suppressor of variegation 3-9 homologs, Suv39h1/2)[21]、
Piwi 同系物1/2(piwi-like homologs 1/2, Piwi1/2)[22]、
含有SET与RING指相关结构域蛋白(SET and RING
finger-associated domain protein，SRA)[23]。重编程
过程中DNA去甲基化的机制还很模糊，有可能是转
录因子和DNA甲基转移酶共同作用的结果，一些
重编程不完全的细胞也许可以给我们提供更多的信
息[24]。
2 染色体表观遗传修饰的改变
胚胎干细胞是来源于内细胞团的多能性细胞，
其最大特征就是自我更新(self-renew)与三向分化的
能力(内胚层、中胚层和外胚层)。这两种区别于其
他细胞的关键特质需要胚胎干细胞在基因组水平上
有着特殊的调控，首先因为需要自我更新和胚胎干
细胞需要保持多能性的记忆。但同时其基因组又必
须具有极大的可塑性，保证在分化开始的时候，能
够进行特异的基因表达调控，从而进入特异的分化
途径。调控胚胎干细胞自我更新和分化的分子机制
尚不清楚，但是已有的试验数据表明，表观遗传调
控在其中起着关键的作用，包括组蛋白甲基化、乙
酰化与DNA的甲基化，决定了转录因子在染色体上
的结合模式，造就了特殊的染色体特征(chromosome
signature)。染色体特征的变化进一步影响到特异基
因的表达与沉默，进而改变了细胞状态(cellular state)。
在发育生物学中，由受精卵到约220余种体细胞的
细胞状态改变的调控机制一直是一个关键问题。而
体细胞重编程也是一种细胞状态的改变，是与发育
相反的过程，所以可以从发育机理的研究中借鉴到
很多线索。从一些已有的研究结果来看，在有丝分
裂的过程中转录过程停止[25]，核膜破裂，转录因子
从染色体上“解偶联”[26]，但是染色体上的表观遗
传修饰在整个分裂过程中一直存在[27,28]。这种维持
图3 多能性基因的关闭[8]
胚胎干细胞中多能性基因是启动子区域低甲基化，组蛋白H3与H4乙酰化的状态。分化伊始，G9a与组蛋白去乙酰化酶
(histone deacetylase, HDAC)被招募到染色体上，HDAC将组蛋白去乙酰化，G9a将H3K9甲基化从而招募到Dnmt3a与
Dnmt3b，起始多能性基因的重新甲基化，沉默其表达。
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被认为是一种细胞转录记忆，确保转录因子在分裂
结束后能重新结合到正确的位置。这样一系列的事
件，使得染色体特征改变成为可能。在核移植之
后，需要卵母细胞重新分裂才可以发生重编程[29]，而
细胞融合也需要在一个周期之后才能完全重编程[30]，
这都证明细胞分裂在发育与重编程中有着重要作
用。在分裂过程中如果对维持于染色体上的乙酰化
甲基化加以改变，就可以改变细胞状态，这是一个
细胞分裂对于重编程的贡献模型(图5)[31]。在细胞
周期中，染色体凝聚造成转录因子从染色体上解散
开(图5a与b)，当核移植、细胞融合或者特定因子
导入之后，染色体表观遗传修饰改变，从而将转录
激活因子招募到原先沉默基因的启动子区域，启动
基因的表达。表观遗传修饰的改变同样改变了核小
体的包装和染色质的结构，而这些结构有时候会隐
藏一些转录因子的结合位点，从而影响基因的表
达，所以也是染色体特征的一部分。特定因子诱导
iPS产生的过程中，c-Myc的作用就是招募组蛋白乙
酰转移酶对染色体结构进行调控[32]。
胚胎干细胞的染色体特征是在多能性基因的启
动子区域H3与H4高度乙酰化，而H3的第4位赖氨
酸甲基化，第9位和27位赖氨酸去甲基化，这些
被认为是一个基因活化状态的标志。胚胎干细胞中
往往还存在一个染色体的共价结构，即H3第4位和
27位赖氨酸甲基化同时存在，这被认为是染色体可
塑性的标志[33]。只有这些染色体表观遗传修饰全部
被建立了，才能叫做完全的重编程。染色体的表观
遗传修饰不仅关系到基因的表达，更为重要的是，
它建立了一个细胞状态并且将它延续下去，这正是
表观遗传调控在重编程中的关键作用。
体细胞重编程具有非常重要的基础研究和应用
的前景。在基础研究方面，通过对重编程机制的研
究，可以让我们更好地理解发育过程和胚胎干细胞
是如何维持其自我更新与全能性的。而在应用方
面，则可能为我们解决一些医疗难题作出贡献。目
前多种干细胞被应用于因疾病或创伤造成的组织损
伤的再修复，例如2009年1月份美国食品及药物管
理局(FDA)支持的人胚胎干细胞治疗脊椎损伤的项
目。如果可以将重编程应用于治疗，那么可以逾越
二个人胚胎干细胞无法逾越的障碍：免疫排斥与使
用人胚胎带来的伦理道德问题。但是在应用方面，
无论哪种方法都面临着非常多的问题需要解决(图
1)。如上所述，已分化的体细胞中一些多能性基
因，如Oct4、Nanog的沉默是通过DNA甲基化，
而一些其他的多能性因子，例如Sox2是通过别的
途径沉默[13,34]。在重编程的过程中，为了激活这
图4 重编程过程中可能的去甲基化机制示意图
在转录因子和去甲基化酶主动作用下，分化细胞中沉默的多能性基因被重新激活表达
618 生命科学：干细胞研究专刊 第21卷
些因子，要克服不同的基因沉默机制，包括组蛋白
去乙酰化、组蛋白甲基化与DNA甲基化等。有些文
献已经证明影响表观修饰酶可以提高重编程的效
率[16,35,37]。鉴于表观遗传修饰在重编程中的关键作
用，需要我们更加深入地研究表观遗传的作用，帮
助我们更好地理解重编程作用发生机制，从而为临
床应用铺平道路。
[参 考 文 献]
[1]Yamanaka S. Strategies and new developments in the genera-
tion of patient-specific pluripotent stem cells. Cell Stem Cell,
2007, 1(1): 39-49
[2]Jaenisch R, Young R. Stem cells, the molecular circuitry of
pluripotency and nuclear reprogramming. Cell, 2008, 132
(4): 567-82
[3]Hochedlinger K, Plath K. Epigenetic reprogramming and in-
duced pluripotency. Development, 2009, 136(4): 509-23
图5 细胞分裂在重编程中的作用模型 [31]
a: 体细胞中的沉默位点，组蛋白甲基转移酶Suv39h催化H3K9甲基化结合polycomb阻遏复合体2(polycomb repressive
complex1，PRC2)与异染色质蛋白1(heterochromatin protein1，HP1)，催化H3K27甲基化结合PRC2。b: 在有丝分裂过程
中，组蛋白H3上的丝氨酸10被Aurora B激酶磷酸化，使H1解离。3pK(mitogen-activated protein kinase-activated protein
kinase-3，3pK)磷酸化PRC1使其解离。未知激酶磷酸化Suv39h。c: 通过某些重编程方法，胚胎干细胞因子结合至目的基
因上。这种结合招募了组蛋白去乙酰化酶jumonji结构域结合蛋白-2C(jumonji domain-containing protein-2C，JMJD2C)，赖
氨酸特异组蛋白去乙酰化酶-1(Lys-specific histone demethylase-1，LSD1)将H3K9去甲基化[36]。未知因素将H3K27去甲基
化。组蛋白乙酰转移酶将组蛋白H3与H4氮端赖氨酸残基乙酰化。d: 染色体表观遗传水平被调控为干细胞状态，沉默基
因被重新表达。
619第5期 张 磊：细胞重编程中的表观遗传分子机制
[4]Imamura M, Miura K, Iwabuchi K, et al. Transcriptional
repression and DNA hypermethylation of a small set of ES
cell marker genes in male germline stem cells. BMC Dev
Biol, 2006, 6: 34
[5]Nichols J, Zevnik B, Anastassiadis K, et al. Formation of
pluripotent stem cells in the mammalian embryo depends
on the POU transcription factor Oct4. Cell, 1998, 95(3):
379-91
[6]Boiani M, Eckardt S, Scholer HR, et al. Oct4 distribution
and level in mouse clones: consequences for pluripotency.
Genes Dev, 2002, 16(10): 1209-19
[7]Bortvin A, Eggan K, Skaletsky H, et al. Incomplete reactiva-
tion of Oct4-related genes in mouse embryos cloned from
somatic nuclei. Development, 2003,130(8): 1673-80
[8]Cedar H, Bergman Y. Linking DNA methylation and histone
modification: patterns and paradigms. Nat Rev, 2009, 10
(5): 295-304
[9]Ben-Shushan E, Sharir H, Pikarsky E, et al. A dynamic bal-
ance between ARP-1/COUP-TFII, EAR-3/COUP-TFI, and
retinoic acid receptor: retinoid X receptor heterodimers regu-
lates Oct-3/4 expression in embryonal carcinoma cells. Mol
Cell Biol, 1995, 15(2): 1034-48
[10]Fuhrmann G, Chung AC, Jackson KJ, et al. Mouse germline
restriction of Oct4 expression by germ cell nuclear factor.
Dev Cell, 2001, 1(3): 377-87
[11]Feldman N, Gerson A, Fang J, et al. G9a-mediated irrevers-
ible epigenetic inactivation of Oct-3/4 during early
embryogenesis. Nat Cell Biol, 2006, 8(2): 188-94
[12]Deb-Rinker P, Ly D, Jezierski A, et al. Sequential DNA
methylation of the Nanog and Oct-4 upstream regions in
human NT2 cells during neuronal differentiation. J Biol Chem,
2005, 280(8): 6257-60
[13]Farthing CR, Ficz G, Ng RK, et al. Global mapping of DNA
methylation in mouse promoters reveals epigenetic repro-
gramming of pluripotency genes. PLoS Genet, 2008, 4(6):
e1000116
[14]Mohn F, Weber M, Rebhan M, et al. Lineage-specific
polycomb targets and de novo DNA methylation define re-
striction and potential of neuronal progenitors. Mol Cell,
2008, 30(6): 755-66
[15]Hajkova P, Ancelin K, Waldmann T, et al. Chromatin dy-
namics during epigenetic reprogramming in the mouse germ
line. Nature, 2008, 452(7189): 877-81
[16]Huangfu D, Maehr R, Guo W, et al. Induction of pluripo-
tent stem cells by defined factors is greatly improved by
small-molecule compounds. Nat Biotechnol, 2008, 26(7):
795-7
[17]Choi Y, Gehring M, Johnson L, et al. DEMETER, a DNA
glycosylase domain protein, is required for endosperm gene
imprinting and seed viability in arabidopsis. Cell, 2002, 110
(1): 33-42
[18]Santos F, Hendrich B, Reik W, et al. Dynamic reprogram-
ming of DNA methylation in the early mouse embryo. Dev
Biol, 2002, 241(1): 172-82
[19]Simonsson S, Gurdon J. DNA demethylation is necessary
for the epigenetic reprogramming of somatic cell nuclei. Nat
Cell Biol, 2004, 6(10): 984-90
[20]Lin IG, Tomzynski TJ, Ou Q, et al. Modulation of DNA
bind ng protein affinity directly affects target site
de ethylation. Mol Cell Biol, 2000, 20(7): 2343-9
[21]Lehnertz B, Ueda Y, Derijck AA, et al. Suv39h-mediated
histone H3 lysine 9 methylation directs DNA methylation to
major satellit repeats at pericentric heterochromatin. Curr
Biol, 2003, 13(14): 1192-200
[22]Kuramochi-Miyagawa S, Watanabe T, Gotoh K, et al. DNA
methylation of retrotransposon genes is regulated by Piwi
family members MILI and MIWI2 in murine fetal testes.
Genes Dev, 2008, 22(7): 908-17
[23]Sharif J, Muto M, Takebayashi S, et al. The SRA protein
Np95 mediates epigenetic inheritance by recruiting Dnmt1
to methylated DNA. Nature, 2007, 450(7171): 908-12
[24]Stadtfeld M, Maherali N, Breault DT, et al. Defining mo-
lecular cornerstones during fibroblast to iPS cell reprogram-
ming in mouse. Cell Stem Cell, 2008, 2(3): 230-40
[25]Gottesfeld JM, Forbes DJ. Mitotic repression of the tran-
scriptional machinery. Trends Biochem Sci, 1997, 22(6):
197-202
[26]Sun F, Fang HY, Li RZ, et al. Nuclear reprogramming: the
zygotic transcription program is established through an
“erase-and-rebuild” strategy. Cell Res, 2007, 17(2): 117-34
[27]Holliday R. The inheritance f epigenetic defects. Science,
1987, 38(4824): 163-70
[28]Peters AH, M rmoud JE, O’Ca r ll D, et al. Histone H3
lysine 9 methylatio is an epigenetic imprint of facultative
heterochromatin. Nat Genet, 2002, 30(1): 77-80
[29]Mitalipov SM, Zhou Q, Byrne JA, et al. Reprogramming
following omatic cell nuclear transfer in primates is depen-
dent upon nuclear remodeling. Hum Reprod, 2007, 22(8):
2232-42
[30]Han DW, D JT, Gentile L, et al. Pluripotential reprogram-
ming of the somatic genome in hybrid cells occurs with the
first cell cycle. Stem Cell, 2008, 26(2): 445-54
[31]Egli D, Birkhoff G, Eggan K. Mediators of reprogramming:
transcription factors and transitions through mitosis. Nat
Rev Mol Cel B l, 2008, 9(7): 505-16
[32]Knoepfler PS, Zhang XY, Cheng PF, et al. Myc influences
global chromatin structure. EMBO J, 2006, 25(12): 2723-
34
[33]Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, et al. A bivalent chro-
matin structure marks key developmental genes in embry-
onic stem cells. Cell, 2006, 125(2): 315-26
[34]Mikkelsen TS, Hanna J, Zhang XL, et al. Dissecting direct
reprogramming through integrative genomic analysis. Nature,
2008, 454(7200): 49-55
[35]Huangfu D, Osafune K, Maehr R, et al. Induction of pluri-
potent stem cells fr m p imary human fibroblasts with only
Oct4 and Sox2. Nat Biotechnol 20 8, 26(11): 1269-75
[36]Wissmann M, Yin N, Muller JM, et al. Cooperative
demethylation by JMJD2C and LSD1 promotes androgen
receptor-dependent gene expression. Nat Cell Biol, 2007, 9
(3): 347-53
[37]Shi Y, Do JT, Desponts C, et al. A combined chemical and
ge etic approa h for the gener ion of induced pluripotent
stem cells. Cell Stem Cell, 2008, 2(6): 525-8