全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 19卷 第 4期
2007年 8月
Vol. 19, No. 4
Aug., 2007
干细胞命运决定的分子调控网络
金志刚，刘　莉，谢治慧，景乃禾*
（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：来源于囊胚期胚胎内细胞团的胚胎干细胞具有独特的生物学特性，包括无限自我更新的能力
以及分化为内胚层、中胚层和外胚层各种细胞的潜能。阐明胚胎干细胞全能性维持以及向各种特定细
胞分化的分子机制，不仅有助于我们了解胚胎发育过程，而且将促进胚胎干细胞尽早应用于疾病治疗。
本文主要就干细胞的一种命运决定过程，维持胚胎干细胞全能性或失去全能性开始分化，结合最新的
研究进展讨论该过程中的分子调控网络，包括信号转导通路、表达调控网络以及表观遗传调控。
关键词：胚胎干细胞；自我更新；全能性；分化；分子机制
中图分类号：Q 81 3　　文献标识码：A
Regulatory network involved in the cell fate determination of
embryonic stem cells
JIN Zhigang, LIU Li, XIE Zhihui, JING Naihe*
(Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: Embryonic stem cells (ESCs) are derived from the inner cell mass of the pre-implantation embryo at the
blastocyst stage. They are characterized by their potential to self-renew indefinitely and to differentiate into
any of the three germ layers - endoderm, mesoderm and ectoderm. Discovering how ESCs pluripotency and
lineage induction is achieved is important for understanding normal development and for successfully apply-
ing stem cell-based therapies. In this review, we will consider the factors that influence cell fate of ESCs, taking
as a primary example of maintenance of pluripotency in ESCs versus loss of pluripotency on differentiation.
Key words: embryonic stem cells; self-renewal; pluripotency; differentiation; molecular mechanism
1981年小鼠胚胎干细胞和1998年人胚胎干细胞
的分离培养成功，标志着生物学和医学迈入了一个
崭新的时代[1-3]。胚胎干细胞(embryonic stem cells,
ESCs)是来源于胚胎发育囊胚期内细胞团(inner cell
mas s , IC M)的具有自我更新能力和发育全能性
(pluripotency)的一类细胞。在合适的诱导条件下，
胚胎干细胞可分化为外胚层、中胚层和内胚层三个
胚层来源的各种细胞。因此，人们期望将胚胎干细
胞作为合适的体外研究系统并作为嫁接体内研究的
文章编号 ：1004-0374(2007)04-0364-08
收稿日期：2007-07-11
作者简介：金志刚( 1 9 7 6 —)，男，博士，助理研究员；景乃禾( 1 9 5 4 —)，男，博士，研究员，* 通讯作者，
E-mail: njing@sibs.ac.cn
桥梁，在基因功能分析、发育生物学研究和新药筛
选等方面发挥重要作用。更为重要的是，胚胎干细
胞可以作为某种特定分化细胞的理想来源，用于临
床上的细胞替代疗法，修复因疾病、事故和衰老等
原因造成的组织损伤，特别是可望为那些仅由一种
或少数几种细胞死亡或功能失调所致的疾病，如帕
金森病、糖尿病等，提供一种有效的治疗手段。
哺乳动物的发育从单个受精卵开始，经过不断
的增殖与分化，形成两百多种不同的细胞类型，最
365第4期 金志刚，等：干细胞命运决定的分子调控网络
后发育为成熟个体。在胚胎发育过程中，胚层决定
及个体发育的细胞基础是在不同发育阶段中不同细
胞所做的不同分化命运的选择。从某种意义上讲，
动物体的发育过程就是干细胞的命运逐渐被决定的
过程。这些命运决定过程包括：多潜能胚胎干细胞
自我更新与开始分化的命运决定、向组织原基干细
胞定向分化的命运决定以及终末分化细胞的命运决
定等。这些过程受到大量分子及相关信号转导网络
和表达调控网络的精细调节。因此，要充分利用胚
胎干细胞为人类健康服务，首先要提高对胚胎干细
胞命运决定调控网络的认识。
1　背景与前言
在胚胎发育过程中，具有明显全能性的细胞群
最初出现于囊胚内侧的一端，即 ICM。与 ICM同
时形成的位于囊胚外侧的滋养外胚层(trophectoderm)
是胚胎发育过程中的第一个分化了的胚外细胞群[4]。
本文提到的全能性是指具有分化为除滋养外胚层外
所有细胞的能力。囊胚晚期的 ICM分化为两部分：
上胚层(Epiblast)以及位于上胚层表面的原始内胚层
(primitive endoderm)，后者为胚胎发育过程中形成
的第二个胚外细胞群。在随后的卵筒期(egg cylin-
der stage)，上胚层逐渐形成单层上皮样的结构——
原始外胚层(primitive ectoderm)。该阶段同时形成了
各种胚外组织，包括由原始内胚层形成的脏壁内胚
层(v iscer a l endoderm)和腔壁内胚层(pa r ie ta l
endoderm)，以及由滋养外胚层形成的胚外外胚层
(extraembryonic ectoderm)。上述组织中，只有上
胚层和原始外胚层(也有人认为是先后时期的同一结
构而归为同一概念)保持了全能性，在随后的发育
过程中产生了生殖细胞以及三个胚层的体细胞。
细胞全能性的维持可以保证自我更新产生的子
细胞始终保留母细胞的各种分化潜能。干细胞全能
性的调控是一个非常复杂的过程：刺激细胞自我更
新的胞外信号首先被激活；同时，促进全能性细胞
向三胚层细胞分化的信号通路均维持在抑制状态；
在胞内，维持全能性的核心转录因子形成辐射状的
调控网络，不仅促进了维持干细胞状态的重要信号
分子以及自身的表达，同时也抑制了细胞分化过程
中关键基因的表达；从染色质结构看来，这些调控
细胞分化的基因虽然不表达，但大多数处于了一种
“随时待命”的半开放状态。
2　信号转导通路
利用小鼠成纤维细胞作为饲养层(feeder layer)，
小鼠胚胎干细胞(mESCs)可以在有血清培养液中进行
体外增殖并保持发育全能性[1]。研究发现，饲养层
提供了一种白介素 6 家族的细胞因子——L I F
(leukemia inhibitory factor)，并且培养液中加入 LIF
后可以替代成纤维细胞发挥作用，说明了 LIF信号
通路对mESCs 自我更新及全能性维持的重要性[5]。
胞外的LIF信号是通过激活转录因子STAT3而发挥
作用的。首先，LIF作用于细胞膜上的 LIF受体和
跨膜受体 gp1 30，三者结合形成的复合物激活了
JAK，依次启动 STAT3的磷酸化，形成二聚体并
入核，最终激活一系列下游基因的转录[6]。当培养
液中撤去 LIF或表达显性失活(dominant negative)的
STAT3，mESCs分化为包括中胚层和内胚层等细胞
的混合体[6-7]。因此，LIF-STAT3通路维持mESCs
全能性的一条途径可能是抑制了mESCs向中胚层和
内胚层细胞的分化，并且这条途径可能是通过转录
因子 c-Myc实现的。c-Myc是mESCs中 STAT3直
接调控的的靶基因之一，在培养液中撤去 LIF后，
c-Myc mRNA表达下降，c-Myc蛋白被GSK3β磷酸
化并降解。过表达持续活化形式的 c-Myc的mESCs，
在撤去 LIF后仍维持了自我更新和细胞全能性；而
c-Myc功能缺失后，mESCs失去全能性并开始分化
为中胚层和原始内胚层细胞[8]。
富含各种细胞因子和生长因子的血清对mESCs
的体外增殖与全能性维持来说，与 LIF一样不可或
缺，这提示血清中的某些因子可能激活了另一条与
LIF-STAT3相对独立的信号通路，两者相辅相成共
同维持了mESCs的全能性。在N2B27无血清培养
液中，BMP2、BMP4或GDF6可以与LIF一起促进
mESCs的自我更新，因此上述信号通路很可能来自
BMP/GDF。研究表明，在mESCs中，BMP4通过
磷酸化 Smad1/5 激活了 Id基因的表达[9]。BMP具
有抗神经诱导的活性[10-11]; Id蛋白是一种bHLH家族
的负调控因子，在神经发育过程中的基本功能是通
过抑制Neurogenin2、Mash1等 Proneural基因的神
经元诱导活性，维持了神经干细胞或神经元前体细
胞的未分化状态，抑制了向神经元的分化[12]。因
此，BMP通过 Id和 /或其他通路阻止mESCs向外
胚层来源的神经细胞的分化，可能是 B M P 维持
mESCs全能性的一条途径。此外，BMP还通过抑
制 ERK MAPK 和 p38 MAPK信号通路，促进了
mESCs的自我更新以及全能性的维持[13]。值得注意
的是，BMP除了抑制mESCs的神经分化，在没有
366 生命科学 第19卷
LIF的条件下还促进了mESCs向非神经细胞的分
化。而在 LIF存在的情况下，STAT3可能通过直
接或间接结合 Smad1，减少了游离形式的 Smad1，
从而抑制了 BMP的促分化作用，使 BMP最终表现
出维持mESCs未分化的作用[9,14]。最近的一项研究
结果支持以上假设，即STAT3参与激活了转录因子
Nanog，而后者通过结合 Smad1抑制了 BMP诱导
mESCs向中胚层细胞的分化[15]。
与mESCs不同的是，人胚胎干细胞(hESCs)全
能性的维持不依赖于 LIF-STAT3信号通路[16-17]。此
外，BMP信号通路在mESCs和 hESCs的作用也截
然不同：BMP不仅不能维持 hESCs的全能性，而
且还促进了 hESCs向滋养外胚层和原始内胚层的分
化[18]。这些结果提示可能存在不同的分子机制调控
了mESCs和 hESCs的全能性。一般情况下，hESCs
的体外增殖培养需要bFGF和小鼠饲养层细胞或其条
件性培养液，但不需要 LIF。为更接近 hESCs的临
床应用，人们一直在尝试如何在避免使用动物来源
的饲养层细胞的情况下，来维持 hESCs的未分化状
态及其全能性。与LIF之于mESCs的贡献类似，饲
养层细胞分泌的某些因子可能激活了维持 hESCs全
能性所需的信号通路。小鼠饲养层细胞分泌的
Activin可能扮演了这样的角色，最直接的证据是，
Activin能够代替小鼠饲养层细胞或条件性培养液的
作用，来维持 hESCs的未分化状态及其细胞全能
性[19]。在缺少饲养层细胞、条件性培养液以及血清
的培养条件下，Activin或 Nodal的加入可以延迟
hESCs的分化，而维持 hESCs全能性的一个充分条
件是Activin/Nodal与 bFGF的共同作用[20]。与BMP/
GDF信号通路激活 Smad1/5/8不同，TGFβ/Activin/
信号通路激活了 Smad2/3并促进了 hESCs全能性的
维持。在未分化的 hESCs中，Smad2/3信号处于活
化状态而 Smad1/5信号被抑制，hESCs分化后转变
为 Smad1/5的活化和 Smad2/3的抑制。如果在未分
化的 hESCs中抑制 Smad2/3信号通路，hESCs失去
全能性开始分化，表明 TGFβ/Activin/Nodal信号通
路对于hESCs全能性维持的必要性[21]。此外，Activin/
N oda l 也促进了 mE S C s 的自我更新，但不影响
mESCs的全能性[22]。有趣的是，mESCs全能性的
维持可能不依赖于 Smad2/3的活化，然而小鼠 ICM
细胞全能性的维持却需要 Smad2/3的活化[21]。目
前，人们对参与维持 hESCs全能性的 bFGF信号的
作用机制还不是很清楚。
通过利用一种具有GSK3β抑制剂活性的小分子
化合物BIO(6-Bromoindirubin-3 ox ime)，研究人员
发现在mESCs和 hESCs中激活Wnt信号通路，两
者的未分化状态均能够得到维持[17]。在利用小鼠饲
养层细胞和 LIF的正常培养条件下，mESCs维持未
分化状态的部分原因可能是小鼠饲养层细胞分泌的
Wnt蛋白激活了内源的Wnt信号；mESCs分化后，
Wnt信号也被下调。然而，Wnt 信号通路在维持
ESCs全能性中的作用还较有争议。一方面， Wnt
促进干细胞分化甚至定向分化也屡见报导[23-24]; 另一
方面，在未分化的干细胞中，Wnt/β-catenin通路是
否被真正激活也有待进一步证实。Wnt通路下游因
子 β - ca teni n介导的转录激活活性，在未分化的
hESCs中很低，而在 hESCs分化后反而上调[23]。此
外，抑制GSK3β后，也可能使 c-Myc避免降解，从而
维持了 c-Myc的表达及其维持干细胞全能性的功能[8]。
3　转录调控网络
Oct4(又名为Oct3，pou5f1编码产物)是 POU家
族第五类转录因子。Oct4特异性的表达于具有全能
性的未分化细胞中，包括囊胚的 ICM和上胚层。当
细胞失去全能性，分化形成胚外细胞系或体细胞
时，Oct4表达消失。Oct4基因敲除的小鼠只能发
育到类似囊胚的阶段，然而该囊胚 ICM中的细胞不
具有发育全能性，只能形成滋养外胚层[25]。尾型同
源框转录因子 Cdx2(Caudal-related homeobox 2)和
Oct4两者间能通过形成复合物，相互抑制对方的转
录调控活性，并通过抑制对方的自调节使得两者在
表达上相互排斥，导致 Cdx2和Oct4分别在桑葚胚
外层细胞和内层细胞中表达，并在随后滋养外胚层
和 ICM的形成过程中分别发挥了重要作用[26]。Oct4
特异性表达于未分化的 ESCs，细胞分化后Oct4的
表达迅速下降。目前，人们普遍将 Oct4作为未分
化 ESCs的重要标记。然而，最近人们发现人的一
种终末分化细胞——外周血单核细胞(peripheral blood
mononuclear cells，PBMC)也表达了 Oct4[27]。因
此，应当尽量避免将Oct4作为未分化 ESCs的唯一
指标，特别是在人成年干细胞的研究中。
Oct4对 ESCs全能性的维持是必需的，但这种
调控作用不是“有或无”式的，而是依赖于 Oct4
的精确表达水平[7]。只有当其表达维持在特定范围
内，Oct4才具有维持ESCs未分化状态和细胞全能性
的功能。过低表达促使mESCs去分化(dedifferentiate)
并形成滋养外胚层细胞。过高表达后，与撤去 LIF
367第4期 金志刚，等：干细胞命运决定的分子调控网络
的结果类似，mESCs分化为中胚层和原始内胚层细
胞。
Oct4通常与其他因子，如 Sox2，协同调控了
ESCs中的基因表达。SoxB1家族的Sox2是维持ESCs
全能性的重要转录因子。Sox2在胚胎发育过程中存
在两个表达高峰，即 ICM和神经干细胞，Sox2在
这两种细胞中的高表达与维持该细胞的状态并抑制
细胞分化密切相关[28-29]。Sox2基因敲除的小鼠能发
育至囊胚(可能与母源蛋白的持续存在有关)，但不
能形成上胚层[30]。Oct4与 Sox2协同调控的靶基因
包括：FGF4、UTF1、Fbx15、Nanog以及自身
的Oct4和 Sox2等基因[31-35]。其中多数靶基因都参
与了ESCs全能性的维持，表明Oct4/Sox2转录复合
物在 ESCs转录调控网络中的核心地位。Oct4和
Sox2的表达还通过自身正反馈调控得到进一步的巩
固。但看似矛盾的一点是，如前所述，ESCs的全
能性对Oct4的表达水平相当敏感，Oct4的过高表
达也能导致分化，那么Oct4的表达既然存在正反馈
调节，必须同时存在负调节机制来彼此平衡，才能
使Oct4的表达具有一定缓冲能力并维持在特定范围
内，以保持干细胞的未分化状态及其细胞全能性。
事实上，诸如 Cdx2、孤儿受体 COUP-TFs(chicken
ovalbumin upstream promoter-transcription factors)和
GCNF(germ cell nuclear factor)等，可能在不同时期
参与抑制了 Oct4的转录[26,36-38]。
利用数据库表达差异筛选和 cDNA库功能差异
筛选发现的Nanog是维持ESCs全能性的又一重要转
录因子[39-40]。Nanog在 ICM中表达较高，在上胚层
中表达有所减弱，已分化的体细胞不表达 Nanog。
与Oct4基因敲除后形成滋养外胚层相比，Nanog基
因敲除后形成了同样失去发育全能性的原始内胚
层，提示Nanog参与抑制了原始内胚层的分化[39]。
与Oct4和Cdx2相互抑制并决定不同细胞命运类似，
Nanog和GATA4/GATA6间可能也存在平衡抑制并
分别参与了 ICM向上胚层和原始内胚层的分化[41-42]。
并且，Grb2-MAPK信号通路可能介导了该过程[43]。
未分化的mESCs表达Nanog，撤去 LIF后，mESCs
的内源Nanog不足以维持未分化；而过表达Nanog
的mESCs不需要LIF就能保持干细胞状态，并且抵
制了 RA(retinoic acid)的诱导信号，提示Nanog对干
细胞全能性的调控也具有剂量依赖性 [ 4 0 ]。利用
N2B27无血清培养液，过表达Nanog的mESCs在不
含 LIF和 BMP4的情况下，仍保持了干细胞状态。
而一旦解除Nanog的过表达，mESCs很快走向了神
经分化，表明 Nanog对神经分化的抑制。研究还
发现，Nanog的过表达维持了 Id1和 Id3的表达，从
而一定程度上弥补了 BMP信号通路的功能[9]。在另
一项研究中，利用不同的培养体系，结果证实早期
中胚层标记 T(brachyury编码产物)和 STAT3协同激
活了Nanog的转录，而Nanog通过结合BMP下游的
Smad1，阻止了 Smad1招募共激活因子(Coactivator)
p300以及下游基因的转录，包括 brachyury，从而
负反馈调控了brachyury并抑制了BMP诱导ESCs向
中胚层细胞的分化[15]。因此，目前的研究表明在不
同的培养条件下，Nanog在 ESCs中的功能至少包
括：抑制 ESCs向原始内胚层、中胚层以及神经外
胚层细胞分化。
染色质免疫沉淀(chromatin immunoprecipitation，
ChIP)与基因芯片(Chip)结合的 ChIP-on-Chip技术，
或与配对端点双标记(Paired-end ditag，PET)测序技
术结合的 ChIP-PET等新兴研究手段的出现，使研
究人员可以系统地从基因组水平寻找与某个转录因
子相结合的所有靶基因。然后，利用已有的基因表
达数据库或基因芯片进行差异表达分析，还能进一
步了解哪些靶基因被激活、哪些被抑制。最近，分
别来自 hESCs和mESCs的研究同时证实，在Oct4、
Sox2和Nanog各自调控的靶基因中，三者中两两参
与调控的靶基因占据了大多数，其中又包括了相当
一部分三者共同调控的靶基因[44-45]。Oct4/Sox2/
Nanog均分别正反馈调控了自身的表达，而且自身
的表达还受到其他两者的正调控，三者可能通过这
种正反馈调控机制以及对相同靶基因的调控，建立
了表达和功能上的彼此联系。
在 hESCs中，Oct4/Sox2/Nanog共同占据了 353
个靶基因，其中正调控的靶基因主要包括转录因子
(如Oct4、Sox2、Nanog、STAT3、ZIC3)以及TGFβ
(如TDGF1、LEFTY2/EBAF)和Wnt通路(如DKK1、
FRAT2)的一些信号分子[44]。Oct4/Sox2/Nanog的
靶基因还包括了一些小分子 RNA(microRNAs，
miRNA)。TGFβ和Wnt通路，以及miRNA在ESCs
全能性维持中均发挥了重要作用。值得注意的是，
Oct4/Sox2/Nanog除了正调控靶基因外，还结合并
负调控了一部分靶基因，这部分靶基因主要包括促
进 ESCs向三个胚层和胚外组织分化的关键基因，
如 HoxB1、Meis1、Pax6、Lhx5、LBX1和Myf5
等，其中近一半的靶基因编码了发育相关的同源框
368 生命科学 第19卷
蛋白(homeodomain proteins)。通过诱导 ESCs分化
或 RNAi(RNA interference)下调Oct4/Sox2/Nanog表
达后，参与发育调控的靶基因开始表达，而维持全
能性的一些靶基因表达下降。然而，通过比较人和
小鼠中Oct4/Nanog的靶基因发现，相同的Oct4靶
基因仅占 9.1%，相同的Nanog靶基因也仅占 13%，
结果再次表明hESCs和mESCs全能性调控机制的差
异[45]。综上所述，Oct4/Sox2/Nanog处于了 ESCs全
能性转录调控网络的核心圈，该核心圈呈辐射状调
控了包括转录因子、信号分子和miRNA等一系列靶
基因的表达。Oct4/Sox2/Nanog维持全能性的功能
发挥，主要通过以下途径实现：激活自身的表达、
激活重要信号通路分子的表达以及抑制发育调控基
因的表达。
利用shRNA(short hairpin RNA)的一项功能缺失
研究，筛选到了维持mESCs未分化和自我更新所必
需的一些因子[46]。这些因子除了已报导的 Oct4、
Sox2和 Nanog，还包括 Esrrb、Tbx3、Tcl1以及
Dppa4。通过 shRNA将这七个因子依次下调后分析
mESCs基因表达谱的变化，可以发现它们直接或间
接调控的靶基因，这些靶基因可以被分为三类：响
应了大多数因子 shRNA的靶基因，表达有上调有下
调；仅受Oct4、Sox2和Nanog shRNA影响的靶基
因，约一半表达上调一半下调；仅受Esrrb、Tbx3、
Tcl1和Dppa4 shRNA影响的靶基因，大部分都表
达上调。这些结果提示除了Oct4/Sox2/Nanog全能
性调控核心圈，至少还有一条独立的由 E s r r b、
Tbx3、Tcl1和 Dppa4构成的调控网络，共同维持
了干细胞状态。
已分化的体细胞可以通过核移植卵细胞或与
ESCs发生融合而获得发育全能性，提示卵细胞的
胞浆和 ESCs中的某些因子可能赋予了体细胞全能
性。研究显示，通过模拟 ESCs的培养条件并引入
四种转录因子的表达，包括 Oct4、Sox2、c-Myc
和Klf4(Krüppel-like zinc finger factor 4)，可以将小
鼠胚胎或成年的成纤维细胞转变为一种ESCs样的全
能干细胞，表明这四种因子可以建立起维持和建立
干细胞全能性所需的转录调控网络，以及表观遗传
调控网络[4 7]。
4　表观遗传调控
表观遗传调控主要发生在三个层次：DNA甲
基化、染色质修饰以及小分子调控 RNA，其中染
色质修饰主要包括组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸
化和泛素化等，组蛋白的各种翻译后修饰构成了特
异的“组蛋白密码”(histone code)[48]。组蛋白的修
饰通常影响了染色质的转录状态，因而常被作为反
映转录状态的一个指标。一般来说，组蛋白的乙酰
化，如在组蛋白 3第 9位赖氨酸(H3K9)，标志染色
质处于转录活化状态。而组蛋白的甲基化可能使转
录活化(如H3K4、H3K36)，也可能使转录抑制(如
H3K9、H3K27、H4K20)，这取决于发生甲基化的
氨基酸残基的位置及其甲基化程度(一甲基化、二
甲基化或三甲基化)[49]。
与已分化细胞相比，ESCs中的染色质结构更
松散，使转录因子更容易接近，提示在 ESCs和已
分化细胞中，可能存在不同的机制维持了基因的未
转录状态[50]。最近的研究显示，ESCs中许多不表
达的发育调控基因，具有处于转录活化状态的染色
质的一些特征，如发生于 S期早期的复制以及具有
转录活化区的组蛋白修饰，但同时也具有抑制转录
的组蛋白修饰。这些结果提示了表观遗传调控参与
维持 ESCs的未分化及其全能性的可能途径。
PcG蛋白(polycomb group proteins，PcG)在早
期胚胎发育过程中发挥了重要作用[51]。PcG蛋白通
常组成 Polycomb抑制型复合物(polycomb repressive
complex, PRC)来发挥作用，如 PRC1和 PRC2。
PRC1主要由BMI1、Ring1A和Ring1B组成，PRC2
则包括 Eed、Suz2和 Ezh2等。PRC2能催化H3K27
发生三甲基化，并且 PRC2介导的转录抑制依赖于
该酶活性。PRC1则通过结合甲基化的H3K27，导
致染色质形成紧密结构来阻止转录的发生。PRC1
和 PRC2通常协同抑制了靶基因，但它们的靶基因
又不尽相同[52]。
为维持干细胞的全能性并避免分化，调控细胞
分化的关键因子需要处于基因沉默状态；而在干细
胞向某种特定细胞分化的过程中，调控干细胞向其
他方向分化的关键因子也需要保持基因沉默才能避
免对某特定方向分化的干扰。最近的一些研究通过
阐明 PcG蛋白在mESCs和 hESCs中调控的靶基因，
证实了 PcG蛋白在上述过程中扮演了重要角色[53-54]。
在mESCs中，PRC1和 PRC2共同占据了 512个被
H3K27甲基化修饰了的靶基因，其中很多编码了在
发育过程中发挥重要作用的同源框转录因子(如
Hox、POU、Pax和 Six等)，以及发育相关的其他
转录因子(如 Fox、Sox、Gata和 Tbx等)。ESCs分
化后或在 PRC2 Eed亚基缺失的ESCs中，绝大部分
369第4期 金志刚，等：干细胞命运决定的分子调控网络
靶基因的表达被解除抑制并特异性上调。此外，
Eed缺失的 ESCs具有很强的分化倾向[54]，Ezh2基
因缺失的 ESCs无法建成[51]，这些都表明， PcG蛋
白可能通过抑制发育调控基因的表达，参与维持了
ESCs的全能性。
比较PRC2的靶基因以及Oct4/Sox2/Nanog的靶
基因后发现，PRC2结合的发育调控基因，约有三
分之一被Oct4/Sox2/Nanog中任一因子同时占据；
而Oct4/Sox2/Nanog三者皆参与抑制的发育调控基
因，几乎全部被 PRC2同时占据，这些靶基因包括
了调控向三个胚层以及胚外组织分化的重要转录因
子[53]。因此，ESCs中发育调控基因的沉默可能是
Oct4/Sox2/Nanog在转录调控水平，以及 PcG蛋白
在表观遗传调控水平共同作用的结果。一种可能的
途径是Oct4/Sox2/Nanog或其他转录因子通过DNA
序列识别靶基因，然后将 PcG蛋白招募至该基因，
从而抑制了该基因的转录。
在S期早期开始DNA复制是基因组中转录活化
区的一个显著特征，并且该区域的组蛋白被乙酰
化，具有可接近的染色质结构；而 S期晚期的复制
通常与具有异染色质结构的非转录区紧密相关[55-56]。
研究发现，在 ESCs中，很多发育调控基因虽然不
表达，但其DNA复制比在组织原基干细胞及其终末
分化细胞中发生更早，并且带有转录活化区的染色
质特征，如乙酰化的H3K9和甲基化的H3K4[55]。一
般来说，H3K4甲基化的转录活化型染色质与H3K27
甲基化的转录抑制型染色质在分布上是相互排斥
的。然而，E S C s 中这些发育调控基因的启动子
上，这两种修饰共定位于相同或相邻的核小体，这
些修饰区域被称做双价修饰区(bivalent domain)[55,57]。
并且，双价修饰区特异性的存在于 E SC s 中。当
ESCs分化后，基因的双价修饰基本被解除，仅存
在其中的一种修饰。而且，ESCs向哪种组织原基
干细胞分化，可能决定或影响了含有双价修饰区的
不同基因，哪种修饰被解除、哪种修饰被保留。譬
如，当 ESCs经诱导分化为神经干细胞后，那些诱
导后高表达的基因(如Sox21、Nkx2.2)伴随了H3K27
甲基化的解除，那些未被诱导表达的基因 ( 如
Pax5、Lbx1h)则伴随了H3K4甲基化的解除[57]。
以上研究表明，ESCs中存在了一种处于传统
观点划分的转录活化状态与转录抑制状态之间的转录
半开放状态。而且，这种转录半开放状态是 ESCs
中许多发育调控基因的共同特征。在 ESCs中，这
些基因虽然也被 PcG蛋白抑制，但与已分化细胞中
处于转录抑制的基因相比，其染色质结构更容易令
转录因子接近，而且已经同时具有了激活转录的组
蛋白修饰。因此，当 ESCs接受胞外某种向特定细
胞分化的诱导信号后，各转录因子、染色质修饰蛋
白和染色质重建蛋白能够在胞内的基因组和表观基
因组上迅速作出响应，将 ESCs中建立的一套维持
ESCs自我更新和全能性的转录调控和表观遗传调控
网络，转变为另一套各组织原基干细胞特有的转录
调控和表观遗传调控网络，从而保证了细胞分化的
顺利进行。
此外，miRNA通过调控基因表达参与了多种发
育过程[58]。Dicer基因敲除的 ESCs能进行体外增
殖，但失去了向三个胚层细胞分化的所有潜能，提
示miRNA可能在维持ESCs全能性的过程中也发挥
了重要作用[59]。
5　总结与展望
如前所述，Oct4/Sox2/Nanog形成了 ESCs全能
性调控网络的核心圈，三者间相互调控的机制巩固
了Oct4/Sox2/Nanog的表达。然而Oct4和Nanog对
全能性的调控均具有剂量依赖性，如Oct4过量表达
后可能通过调控其他靶基因的表达，导致Oct4偏离
了维持全能性的初始功能，使 ESCs分化为中胚层
和原始内胚层等细胞[7]。因此，Oct4/Sox2/Nanog
看似也被巩固的维持全能性的功能，实际上也易于
背道而驰并导致细胞分化。一个有趣的例子是，
Oct4、Sox2和Klf4三者协同调控了 Lefty1的表达，
而后者参与了中胚层的命运决定。此外，Oct4和
Klf4还可能共同促进了 ESCs中其他基因的表达[60]。
在一种利用N2无血清培养液的培养条件下，Oct4
还参与促进了神经元的分化[61]。因此，目前有人提
出一种新观点：调控干细胞全能性的Oct4也具有功
能上的“全能性”，即 Oct4 表达维持在特定范围
内时，Oct4结合并调控了全能性必需的一类基因，
维持了 ESCs的未分化及其全能性；而Oct4高表达
后，Oct4可能参与解除了PcG蛋白对发育调控基因
的转录抑制，同时在其他因子(如Klf4)的协同作用
下，将发育调控基因转录激活，从而启动了 ESCs
向特定细胞的分化[62]。
综上所述，目前对建立和维持 ESCs全能性的
机制研究已取得了重要进展，特别是阐明了多种转
录因子的重要性及其可能发挥的功能。研究虽然也
揭示了全能性细胞具有的一些表观基因组特征，然
370 生命科学 第19卷
而表观遗传调控在建立和维持全能性中的作用机
理，以及与转录调控网络共同作用的分子机制还有
待进一步阐明。其中亟待解决的一个问题是 ESCs
具有的这些表观基因组特征是否也见于体内胚胎。
最近发展的carrier ChIP技术允许只使用小鼠囊胚中
的50个细胞就能分析基因的组蛋白修饰，从而使得
体内分析或验证染色质修饰蛋白参与全能性调控的
机制成为可能[63]。此外，hESCs和mESCs中信号
通路的作用差异以及Oct4/Nanog靶基因的差异都表
明，hESCs和mESCs的全能性存在不同的调控机
制，这可能是由种属差异和 /或ESCs来源的胚胎处
于不同发育时期而导致的。最近，研究人员从小鼠
着床后胚胎的上胚层组织中分离培养了上胚层干细
胞系(post-implantation epiblast-derived stem cells，
EpiSCs)，并且发现小鼠 EpiSCs具有类似于 hESCs
的性质[64-65]。这种新的干细胞系的应用可能将加速
人们阐明干细胞全能性维持、干细胞分化命运决定
的分子机制以及将干细胞应用于疾病治疗的进程。
[参　考　文　献]
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