全 文 ：第24卷 第2期
2012年2月
Vol. 24, No. 2
Feb., 2012
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2012)02-0145-05
转录因子对干细胞高效定向分化为β细胞的作用
陈　桃，齐　晖，李富荣*
(1 暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)风湿科，深圳 518020 ；2 深圳市老年医学研究所，深圳 518020)
摘　要：移植干细胞分化的胰岛 β细胞能逆转糖尿病鼠的高血糖症，为细胞疗法临床应用于糖尿病治疗提
供依据。但如何诱导干细胞高效、定向分化为具有分泌功能的胰岛 β细胞，仍是当今世界难题。就影响干
细胞分化为胰岛 β细胞的关键转录因子 PDX-1、Ngn3、NeuroD1、MafA的作用及机制进行综述，为干细
胞高效定向分化提供新的思路。
关键词：干细胞；β细胞；分化；转录因子
中图分类号： Q254；Q813 文献标志码：A
Effect of transcription factors on differentiation into
insulin-producing cells from stem cells
CHEN Tao, QI Hui, LI Fu-Rong*
(1 Department of Rheumatism, the Second Affiliated Hospital (Shenzhen People’s Hospital) of Jinan University, Shenzhen
518020, China; 2 Shenzhen Institute of Gerontology, Shenzhen 518020, China)
Abstract: Transplantation of insulin-producing cells derived from stem cells could reverse hyperglycemia in
diabetic mice, which support the evidence of cell replacement therapy of diabetics in clinical use. But the protocal
that how to induce differentiation of stem cells into insulin-producing cells effectively and directively, still is a
worldwide problem. This review aims to present mechanism about differentiation into insulin-producing cells from
stem cells with key transcription factors PDX-1, Ngn3, NeuroD1, MafA. It is a new way for the efficient and
directional differentiation from stem cell into insulin-producing cells.
Key words: stem cell; β cell; differentiation; transcription factors
收稿日期：2011-08-06； 修回日期：2011-10-23
基金项目：国家重点基础研究计划 (“ 9 7 3”项
目 ) (2004CCA01500)；广东省自然科学基金项目
(6027540)；深圳市科技计划项目(201001002)
*通信作者：E-mail: frli62@yahoo.com
对于丧失胰岛细胞功能的糖尿病患者来说，胰
岛移植是治愈糖尿病的最具潜力的方案之一，但胰
岛供体短缺，严重影响其在临床的广泛应用。近年
研究表明，干细胞分化而来的胰岛 β细胞有望成为
糖尿病治疗新的细胞来源。但目前胚胎干细胞、成
体干细胞和 iPS细胞体外分化为胰岛 β样细胞效率
低、成熟度差，难以满足临床治疗的需要。深入了
解干细胞向胰岛 β细胞诱导分化的分子调控机制，
将有助于提高分化效率及完善胰岛β样细胞的功能。
本文就影响干细胞分化为胰岛 β细胞的关键转录因
子 PDX-1、Ngn3、NeuroD1、MafA等在干细胞高
效定向分化为胰岛 β细胞中的作用及机制进行了综
述，为干细胞高效定向分化提供新的思路。
1　胰岛β细胞的发育过程及相关转录因子
胚胎发育过程中，前肠内胚层细胞增生的
同时 Shh信号转导通路受抑制，即可激活 PDX-1
(pancreatic and duodenal homeobox factor-1, 胰十二
指肠同源盒基因 -1)[1-2]，指导前肠内胚层背、腹胰
芽生长；随着胰腺祖细胞分化，先后形成背胰芽和
腹胰芽。当背胰和腹胰不断分支、融合，胰腺祖细
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胞向三个方向发育：腺泡、导管、内分泌祖细胞。
Notch信号是决定胰腺祖细胞向内、外分泌细胞形
成的临界信号。若 Notch信号被激活时，bHLH蛋
白 Hes-1的表达启动，可抑制 Ngn3 (neurogenin 3，
神经元素 3)的表达，诱导细胞向外分泌祖细胞分
化；若HNF3β结合Ngn3启动子，开启Ngn3的表达，
则抑制 Notch信号，诱导细胞向内分泌祖细胞分
化 [3]。随后，位于下游的 NeuroD1 (neurogenic diff-
erentiation factor 1，又称BETA2，神经性分化因子 1)，
在 IA1协同作用下指导 Pax4 (paired box gene 4，成
对盒基因 4)及 ARX (aristaless related homeobox)双
阳性的 β/δ前体细胞生成。其中，Pax4(+)的前体
细胞被依次激活MafA (Mus musculus v-maf muscu-
loaponeurotic fibrosarcoma oncogene family protein A，
肌腱膜的纤维肉瘤肿瘤基因同系物 A)、Nkx2.2 (NK2
transcription factor related, locus 2)、Nkx6.1 (NK6
homeobox 1)后，Ngn3表达开始下调 [4]，并在 Hlxb9
(homeobox gene HB9, 同源框 HB9)、Isl-1 (Islet1)、
Pax6 (paired box gene 6, 成对盒基因 6)、PDX-1的
共同作用下，细胞呈团簇状聚集生成，最终发育为
分泌胰岛素的 β细胞 (见图 1)。
2　干细胞分化为胰岛β细胞中转录因子的作用
胰腺发育受复杂的网络调控，其中胰岛 β细胞
的分化及胰岛素基因的表达需要多个转录因子，如
PDX-1、Ngn3、NeuroD1、Pax4、MafA 等时序性
表达，进而激活多个信号途径。尽管胰腺发育具体
的确切机制尚未完全明确，研究者们利用已知的重
要相关因子，模拟 β细胞发育过程，运用基因转染
的方法诱导各种干细胞为胰岛素 β细胞，为诱导分
化的策略提供了宝贵的经验。但鉴于体外或体内环
境复杂，基因转染面临能否持续表达以及基因变异
的问题，难以短期内广泛应用于临床；再者，β细
胞发育需要多个基因的时序性表达，若多个基因同
时开启，可能反而抑制相关发育基因的开启，从而
影响干细胞分化为胰岛 β细胞的效率和成熟度。因
此，人为直接添加相关转录因子的产物——蛋白质，
并利用蛋白质自身或外源的跨膜结构域穿过细胞
膜，于细胞内诱导干细胞为胰岛 β细胞可能是高效
定向分化的新策略。下面就各转录因子通过基因转
染或蛋白质转导的方法，在干细胞分化为 β细胞中
的作用作一概括。
2.1　PDX-1
PDX-1被认为是胰腺内分泌细胞发育的主要调
控因子，最早在胚胎发育早期的肠道中表达，除直
接指导、维持前肠内胚层向胰腺祖细胞发展外，还
通过结合调控蛋白 HNF3β而实现调控胰腺内分泌
细胞的生成。随着胰腺发育，PDX-1表达有所下降，
但在成体中持续表达，维持着 β细胞的表型、胰岛
素基因的转录以及胰岛素颗粒的成熟与分泌，该功
能是 PDX-1蛋白通过结合胰岛素基因转录调控区
A3 (-201~-196 bp)而实现的。至于 PDX-1的激活，
可能与 PDX-1调控序列中占据多个位点的 Foxa1
和 Foxa2有一定关系 [5]。
基于以上机制，学者们视 PDX-1为重编程细
胞的有力武器，构建表达外源性 PDX-1基因的胚
胎干细胞系，诱导其分化为胰岛素分泌细胞，结果
发现细胞中胰岛素 2、生长抑素、Kir6.2、葡萄糖
激酶、Ngn3、Pax6、PC2及 HNF6的表达明显增强
了，且分泌胰岛素 54 ng/mg上清蛋白，但无明显糖
依赖的胰岛素分泌 [6]。最近 Kajiyama等 [7]将转染
PDX-1基因的小鼠脂肪干细胞移植到糖尿病模型小
鼠体内，希望利用体内环境诱导为胰岛素分泌细胞；
免疫组化实验显示平均每张胰腺组织切片中，每 12
个脂肪干细胞就约有 3个细胞表达 C肽。Yuan等 [8]图1 胚胎干细胞向β细胞发育示意图
陈　桃，等：转录因子对干细胞高效定向分化为β细胞的作用第2期 147
在体外利用重组 PDX-1转染大鼠骨髓间充质干细
胞，诱导后胰岛素分泌细胞 DTZ着色约占 32%，
高糖刺激第 5天胰岛素释放量 (9.1 mIU/L)是低糖
组的 9倍，但 9 d后明显下降，推测可能在高糖刺
激下，PDX-1先进入细胞核激活 Ngn3及招募相关
蛋白，进而超激活胰岛素及 β细胞相关基因的表达。
当联合转染 PDX-1及 Betacellulin基因，大鼠骨髓
间充质干细胞分化的胰岛素分泌细胞分泌胰岛素的
量为单独 PDX-1组的 5倍，但在葡萄糖刺激下释
放胰岛素及 C肽的量仅为正常胰腺的 3%[9]。
为比较 PDX-1、PDX-1-VP16、TAT-PDX-1、TAT-
PDX-1-VP16四种蛋白的转导及诱导效果，Delisle
等 [10]分别将其与大鼠肝脏上皮干细胞WB细胞共
培养 14 d，发现除含 VP16的融合蛋白外，其他蛋
白均能激活大鼠 Insulin 2启动子，但 RT-PCR未见
大鼠 Insulin 2表达；胰腺发育相关基因 (Ngn3、
NeuroD1、Pax-4、Nkx2.2、Nkx6.1、PDX-1) 及 β 细
胞成熟相关基因 (Glut-2、Kir6.2、Insulin)，诱导后
有不同程度的表达。研究表明，同为大鼠WB系肝
干细胞，在激活 PDX-1下游 NeuroD转录水平的效
率上，PDX-1转染效率 (20%)与重组 PDX-1蛋白
诱导效率 (19%)相当 [11]。也有人添加外源性 PDX-
1VP16蛋白成功将人胚胎干细胞体外诱导为胰腺内
分泌细胞，其中约 30%为 β样细胞 [12]。
2.2　Ngn3
Ngn3 属于碱性螺旋 - 环 - 螺旋 (basic helix-
loop-helix，bHLH)转录因子家族，对胰腺内分泌细
胞的发育是必要的，且具有剂量效应 [13-14]。研究表
明，Ngn3影响雏鸡内胚层细胞的迁徙和分化 [15]。
但胰芽发育后，内分泌祖细胞中 Ngn3的表达仅是
短暂的，胎儿出生后则检测不到其表达 [16]，推测
Ngn3在调控胰腺发育中发挥开关作用。因为当
Ngn3高表达时，可能启动了其抑制作用或未知的
反馈机制，下调 Ngn3(+)的细胞数目，从而影响内
分泌祖细胞与外分泌祖细胞的比例 [14]。在大鼠胚
胎胰腺发育及成体胰岛修复中，Ngn3表达降低时，
位于其下游调控胰岛细胞分化、成熟、功能化的相
关基因，如 NeuroD1、Nkx2.2、Pax4等表达就会
减少，最终导致胰岛内分泌功能障碍 [17]。
由此可见，Ngn3不仅是诱导内分泌细胞分化
的重要因子，也是促进胰岛成熟和维持胰岛功能的
重要因子。在腺病毒感染 AR42J-B13向 β细胞分
化的体外系统中，研究人员认为 Ngn3是小鼠胚胎
发育中必不可少的，若联合 Nkx6.1及 Ngn3仅诱导
内源性 Insulin2表达，而联合 MafA及 Ngn3则可
同时诱导内源性 Insulin 1、Insulin 2表达 [18]。国内
有实验室以流产人胎儿胰腺组织克隆出人 Ngn3基
因，并构建了 pMSCV-ngn3重组逆转录病毒载体及
其包装细胞株，为下一步将 Ngn3 基因导入人胎儿胰
腺祖细胞，提高诱导分化效率的研究奠定了基础 [19]。
2.3　NeuroD1
NeuroD1最先被发现于发育的胰腺上皮细胞
中，与 Ngn3同属 bHLH蛋白转录调控因子，且受
Ngn3的调控 [20]。胚胎出生后 NeuroD1可在 α、β
及 δ细胞中表达，激活 Glucagons、Insulin及胰岛
素分泌基因，对胰腺的分化成熟是不可或缺的 [21]。
Noguchi等 [22]发现用腺病毒感染小鼠或人的胰腺
前体细胞，并诱导其为胰岛素分泌细胞时，整合
NeuroD1的腺病毒比整合 PDX-1、Ngn3或 Pax4的
更能诱导 Insulin基因表达。也有联合 NeuroD1转
染及小分子化合物者，诱导人脐带间充质细胞为胰
岛素分泌细胞团，并表达内源性 PDX-1、Insulin等
胰腺 β细胞相关基因 [23]。
2.4　MafA
MafA是 Maf家族的一员，具有亮氨酸拉链
(bZip)结构，仅在成体胰腺的 β细胞中表达，可调
控胰岛素合成、分泌和糖代谢等相关基因的表达。
其特异结合于胰岛素基因 C1元件，与 PDX-1、β
细胞 E盒反式作用因子共同调节 Insulin的转录，
对胰腺生长，特别是 β细胞的功能成熟起着重要作
用。
MafA比 PDX-1更能增强新生大鼠 β细胞在葡
萄糖刺激下的胰岛素分泌能力 [24]。另一方面，由于
MafA是高度磷酸化蛋白，抑制 p38 MAPK可促进
MafA在细胞中的稳定表达；换言之若诱导过程中
避免 p38 MAPK介导的MafA的退化，可能是改善
β细胞功能、促进成熟度的一个有效措施 [25]。最近
美国有实验室将 TAT-MafA融合蛋白通过子宫内注
射到胚胎心脏，促进了胚胎后期胰腺前体细胞的成
熟，以及转录水平上 Insulin 1、Insulin 2、Glut2等胰
腺发育或成熟相关基因的上调，且表达 Insulin[26]。
2.5　多个转录因子联合作用
研究表明影响干细胞高效定向分化的重要转
录因子包括 PDX-1、Ngn3、NeuroD1、MafA。PDX-1
与 Ngn3在激活其他转录因子时具有协同作用 [8]。
PDX-1开启 Ngn3的同时激活下游转录因子的交叉
网络，胚胎干细胞或胰腺祖细胞即向 β细胞分化 [2]。
此外，PDX-1也位于 MafA增强子的 3区域，与
生命科学 第24卷148
MafA共同参与 Insulin转录水平的正反馈机制。可
见，联合多个转录因子有望将干细胞高效定向分化
为胰岛 β细胞并促进其成熟。
Zhao等 [27]将分别整合外源 PDX-1、NeuroD1、
Ngn3基因的三种病毒同时感染人骨髓间充质干细
胞 6 d后，培养基上清中检测到含胰岛素约 220
μU/3 × 106细胞，体外对葡萄糖刺激无反应说明其
成熟度较差，而移植到糖尿病鼠体内后有 12.5%的
细胞表达 Insulin并有效降低模型鼠的血糖水平，
可见体内高血糖环境促进细胞一定程度分化，遗憾
的是并未检测到 SUR1(一种胰岛素分泌调节的 K
离子通道组分 )的表达。有研究为筛选诱导分化的
关键转录因子，将分别导入MafA、PDX-1、Ngn3、
NeuroD1、Isl-1、Pax6、Pax4、Nkx2.2和 Nkx6.1基
因的腺病毒混合注射到免疫缺陷小鼠的胰腺内，免
疫组化实验显示有适量胰岛素细胞生成，进而每
次剔除一种腺病毒重复试验，结果发现 MafA、
PDX-1、Ngn3腺病毒是必不可少的，且此组合可诱
导大于 20%的感染细胞分化为胰岛素分泌细胞，其
胰岛素分量与内源性 β细胞相当，且 3个月后细胞
仍存活 [28]。猪的器官与人体的最为相近，因此有研
究者尝试诱导新生猪的胰腺导管细胞为胰岛素分
泌细胞：当目标细胞联合转染 PDX-1、NeuroD1及
MafA基因后，表达内源性胰岛素基因，且诱导结
束后移植于裸鼠肾包膜下的细胞仍具良好的增殖
能力并趋于成熟 [29]。
与基因转染类似，研究者也希望通过联合蛋白
诱导找出更高效、更安全的诱导方案。Noguchi等 [30]
联合运用重组 PDX-1蛋白及 NeuroD1蛋白成功诱
导人胰腺前体细胞分化为胰岛素分泌细胞，并表达
胰腺相关基因，但 30 d后该细胞开始衰老，并停止
分化。可见，蛋白质转导的策略尚需不断的完善。
3　干细胞分化为胰岛β细胞存在的问题
目前如何诱导产生大量的功能性 β细胞仍是一
个巨大挑战，这可能与两方面原因有关：(1)胰腺
发育的具体机制与信号转导通路尚未明确，无法利
用转录因子精确调控干细胞分化 [31]；(2)干细胞的
增殖分化行为一方面被细胞本身预先程序化，另一
方面受其所处的微环境 (干细胞壁龛 )的影响，即
包括细胞与细胞、细胞与细胞外基质两种方式，体
外难以模拟复杂的体内微环境。我们需要不断深入
研究胰岛发育过程中的分子机制，寻求高效定向分
化干细胞为 β细胞的方案，最终实现糖尿病的干细
胞治疗。
[参　考　文　献]
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