全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第3期
2009年6月
Vol. 21, No. 3
Jun., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)03-0357-06
收稿日期：2009-05-15
基金项目：国家高技术研究发展计划(“863 计划”)领
域重大项目(2006AA02A107) ；国家重点基础研究发
展规划项目(2005CB522702，2009CB941100)
*通讯作者：E-mail: peixt@nic.bmi.ac.cn
细胞重编程与表观遗传学调控
习佳飞，岳　文， 裴雪涛*
(军事医学科学院输血医学研究所干细胞与再生医学研究室， 北京 100850)
摘　要：细胞重编程是生命科学研究的热点之一，目前体细胞核移植、细胞融合和特定转录因子诱导
等方法都可以实现体外细胞重编程，而在细胞重编程过程中表观遗传学发挥关键的调控作用，因此对重
编程过程中表观遗传学调控机制开展深入研究具有重要的意义。本文简要综述细胞重编程的研究现状和
表观遗传学调控细胞重编程机制的研究进展，并对小分子化合物和 microRNA 提高细胞重编程效率的最
新进展进行了介绍。
关键词：细胞重编程；表观遗传学；诱导性多能干细胞
中图分类号：Q 8 1 3　　文献标识码：A
Cellular reprogramming and epigenetic gene regulation
XI Jia-fei, YUE Wen, PEI Xue-tao*
(Stem Cell and Regenerative Medicine Lab, Beijing Institution of Transfusion Medicine, Beijing 100850, China)
Abstract: Cellular reprogramming is the process of directing mature cells to a primitive state of gene expression.
Now three reprogramming strategies have been studied extensively: somatic cell nuclear transfer, cell fusion,
and introduction of specific transcriptional factors. Epigenetic modification is central to genome reprogramming
in cellular reprogramming, so a greater understanding of epigenetics will continue to be enlightened by ad-
vances in cellular reprogramming. Here we review the recent literature on cellular reprogramming and epigenetic
gene regulation mechanisms underlying nuclear reprogramming. We also highlight the research progresses on
increasing reprogramming efficiency by using small molecular compound and microRNA.
Key words: cellular reprogramming; epigenetics; induced pluripotent stem cells
　
发育分化调控机制一直是生命科学研究中最重
要的问题之一，发育生物学的首要研究内容就是探
讨细胞如何定向分化。近年来，干细胞尤其是胚胎
干细胞(embryonic stem cells, ES细胞)的体外定向诱
导分化为发育生物学的研究提供了良好的模型。除
了正向细胞分化外，研究者一直以来都在尝试逆转
细胞分化过程，为更深入地研究发育分化提供新的
思路和方向，我们将这种成熟终末分化的细胞逆转
为原始的多能，甚至是全能干细胞细胞状态的过程
称为细胞重编程(cellular reprogramming)。
目前已经可以通过多种方法实现细胞重编程，
包括体细胞核移植(somatic cell nuclear transfer,
S C N T )实现重编程，与多能干细胞融合实现重编
程。自 2006 年以来，诱导多能干细胞(induced
pluripotent stem cells，iPS细胞)的出现大大地拓展
了细胞重编程的研究内容。细胞重编程领域日新月
异的研究进展无疑使得人们有机会更加深入和全面
地探讨细胞发育分化机制。不仅如此，细胞重编程
调控机制的探讨与阐明将使人们有望早日实现干细
胞用于临床组织器官修复与再生的梦想，有助于人
们对疾病发生机制的明确以及新的疾病诊治药物的
开发，因此具有重要的理论和实际意义。而且，越
来越多的研究表明表观遗传学在细胞重编程中扮演
358 生命科学 第21卷
着至关重要的角色。本文就细胞重编程以及细胞重
编程过程中的表观遗传学调控相关研究进展做出综
述 。
1　细胞重编程
利用体细胞核移植、细胞融合和特定转录因子
转染等方法科学家已经能够成功将体细胞重编程建
立多能性干细胞系，通过核移植技术还可以培育出
克隆动物。
1.1　体细胞核移植重编程　在20世纪50年代早期
Briggs和King[1]成功地将囊胚期细胞核移植到去核的
豹纹蛙(Rana pipiens)卵母细胞内，继续体外培养使
其发育为蝌蚪，这就是最早的细胞核移植(nuclear
transfer, NT)技术。Gurdon和Byrne[2]将蝌蚪的肠细
胞核移植到去核卵母细胞内最终形成有生育能力的
成年个体。由于哺乳动物细胞体积非常小，哺乳动
物核移植重编程要面临更多的技术挑战，直到1975
年首次报道利用细胞核移植技术建立了兔的桑椹期
胚胎，但是效率非常低[3]。随着细胞核移植技术的
不断成熟，利用胚胎期细胞作为供核细胞成功获得
了不同种类克隆动物[2]，但是利用终末分化细胞作
为供核细胞获得克隆动物却一直未能成功，直到
1996 年克隆羊“多莉”的出生才实现巨大的突破，
成为里程碑式的研究成果。自“多莉”之后，利
用终末分化的成体细胞作为供核细胞建立了包括
牛、小鼠、山羊、猪、猫和兔等物种克隆动物[2]。
克隆胚胎除了用于培育克隆动物外还用于建立
ES 细胞系[4]。建立的ES 细胞系与供体细胞具有相
同的遗传背景，能解决今后应用于临床治疗时免疫
排斥问题[5]。但是遗憾的是，目前还不能通过体细
胞核移植建立人 ES 细胞系，虽然最近有研究表明
可以利用细胞核移植技术建立灵长类动物 ES 细胞
系[6 ]。另外，需要指出的是，在体细胞核移植研
究中目前一般认为分化的程度与克隆胚胎形成的效
率成反比[7]，但是也有研究在造血细胞中发现成熟
分化的细胞具有较高的克隆成功率[8]。
通过细胞核移植技术建立人ES细胞系的一个非
常大的限制是人卵母细胞的获取受到很多伦理学问
题的困扰。最近的一项研究利用受精卵作为受核细
胞成功建立小鼠 ES 细胞系，尽管该方法目前只在
小鼠实现，但是该研究提示今后可能利用临床体外
受精技术遗弃的受精卵来建立人 ES 细胞系，从而
避免人体细胞核移植中备受争议的卵母细胞获取问
题[9 ]。
1.2 　细胞融合实现重编程　多能干细胞在体外能够
维持其多能性，其胞质内存在调控和维持这种多能
性的关键作用分子，同样可能存在能够重编程体细
胞的关键分子，将多能干细胞和体细胞融合能够将
体细胞重编程为多能性干细胞。早在1976年研究者
已将胸腺细胞与胚胎癌(embryonic carcinoma, EC)细
胞融合，融合后的体细胞表现出分化上的多能性[10]，
同样将体细胞与小鼠ES细胞融合也实现了重编程体
细胞为多能性干细胞[11]。最近的研究表明与人ES细
胞融合同样能够实现体细胞的重编程[12, 13]。
细胞融合重编程体细胞同样存在重大的缺陷，
那就是重编程后的多能干细胞是四倍体细胞，为了
解决该问题，最近研究建立了从融合细胞中选择性
地去除特定染色体的方法，并利用该方法将 ES 细
胞来源的含有Nanog 基因的染色体特异性地去除，
但是并不影响融合细胞的多能性，进一步证明体细
胞重编程后获得了自主的多能性[14]。然而，利用该
方法去除所有的ES细胞来源的染色体目前仍无法实
现。另外，还有不少研究利用 ES 细胞的提取物来
重编程体细胞，这些也再次验证了 ES 细胞内含有
的一些关键的调控分子可以实现体外重编程体细胞
为多能性干细胞[15-17]。
1.3 　特定转录因子诱导体细胞重编程　上述体细胞
核移植重编程和细胞融合重编程研究的开展对于研
究如何逆转体细胞为多能性干细胞积累了大量的经
验，科学家们也一直在寻找体外“直接重编程”
(direct reprogramming)体细胞的方法。2006年，日
本京都大学Yamanaka研究小组发现，把4种与维持
ES细胞全能性相关的基因(Oct4、Sox2、c-myc 和
Klf4) 通过逆转录病毒载体转入小鼠的成纤维细胞，
可以把成纤维细胞变成类似于 ES 细胞的多能干细
胞，并将其命名为iPS 细胞。iPS 细胞在形态、增
殖分化能力、细胞表面抗原、基因表达模式等方
面，均与ES细胞有着极大的相似性[18]。随后，2007
年底日本Yamanaka 和美国Thomson 实验室分别在
Cell[19]和Science[20]杂志上报道他们利用人皮肤成纤
维细胞培育出了人iPS细胞。随后美国的另一个研
究小组也发表了其独立建立的人iPS细胞的研究成
果，并尝试利用多种细胞来诱导生成iPS细胞，其
中包括成人来源的间充质干细胞[21]。iPS细胞建立
是干细胞研究领域的又一里程碑式的研究成果，自
问世以来引起了研究者的极大关注，围绕iPS细胞
开展了大量的研究，最新的研究进展层出不穷，包
359第3期 习佳飞，等：细胞重编程与表观遗传学调控
括如何提高诱导分化的效率和安全性，并对iPS细
胞产生的机制进行了初步地研究探讨[22]。
围绕 iP S 细胞实际应用的研究进展也非常迅
速，iPS 细胞建立后，首先将其向造血细胞诱导分
化，并用于治疗患镰刀状细胞性贫血的小鼠[23]。同
时还将小鼠iPS细胞诱导分化为神经元和神经胶质
细胞，体外诱导的神经细胞能够在体内整合入小鼠
大脑组织内发挥功能[24]。iPS细胞技术的建立使得
在获得患者的iPS细胞方面取得了鼓舞人心的突破，
如Dimos等[25]成功将一个患家族性脊髓侧索硬化症
(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)的82岁女性患者
的成纤维细胞重编程为iPS细胞，并且诱导iPS细
胞获得有一定功能缺陷的运动神经元，该模型的建
立可以用来研究该疾病的发病机制，筛选可能的治
疗药物，并有可能最终应用于自体细胞移植治疗
ALS。Ebert等[26]从患脊髓性肌萎缩的儿童患者皮肤
成纤维细胞成功获得 iP S 细胞，其能够在体外增
殖，并且能够保持疾病的基因表型，体外诱导分化
能够形成运动神经元[26]。此外，更多种类的人类
疾病iPS细胞系已经成功建立[27]，这些细胞系的建
立为研究相关疾病的发生机制和相关药物开发提供
了十分珍贵的模型。
iPS细胞的建立将整个细胞重编程的研究推向了
一个新的高潮，为体外研究发育分化机制提供了更
加方便的模型，而且使得将干细胞发育分化研究应
用于临床治疗、药物筛选和相关疾病的发病机制研
究推进了一大步。但是，目前iPS细胞建立的效率
与细胞核移植建立克隆胚胎一样，效率仍然非常
低，而且其建立方法仍然有安全风险，需要进一步
对iPS细胞形成的机制进行更详细的研究，并且利
用相关的研究成果，提高其建立的效率。
在体细胞核移植过程中研究者已经发现表观遗
传学调控发挥了关键的核心调控作用[28]，而且表观
遗传学在细胞重编程过程中的作用也得到了较好的
阐述。目前随着iPS细胞建立，我们一方面可以利
用表观遗传学的相关研究提高 iPS 细胞建立的效
率；另一方面利用iPS细胞作为体外模型深入研究
细胞重编程过程中表观遗传学的调控机制。
2　表观遗传学与细胞重编程
表观遗传学调控指在不改变基因DNA序列的前
提下，通过 DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色体重
塑以及非编码RNA调控等途径影响和调节基因表达
和功能发挥。作为近几年来生命科学领域的研究热
点，表观遗传学研究手段得到了日新月异的发展，
与之相关的研究领域日益拓宽, 目前已有的研究表
明，表观遗传学在胚胎早期发育特别是干细胞的分
化与成熟过程中扮演着重要的角色。Reik[29]提出
“发育的过程实际上就是表观遗传学发挥作用的过
程”。在具有多向分化潜能的干细胞阶段，决定细
胞分化和成熟的系列基因由于受到表观遗传学的修
饰而沉默，其中包括组蛋白的去乙酰化或者基因启
动子区域的高甲基化等。随着多潜能干细胞向成熟
细胞分化，这些基因因组蛋白乙酰化或者DNA的去
甲基化而开始表达，与此相反的是，许多在干细胞
早期发育阶段表达的印迹基因或多潜能相关基因却
由于DNA高甲基化等原因在成熟体细胞中向沉默转
归。因而对干细胞发育中的表观遗传学调控机制的
研究在干细胞生物学领域中方兴未艾，并已经取一
系列的重要成果。体细胞经过重编程成功诱导为
iPS细胞无疑是目前干细胞生物学研究领域最为激动
人心的进展，探讨iPS的重编程机制无疑是科学家
们进一步研究的热点，而作为在干细胞发育与分化
中具有重要作用的表观遗传学就有可能在重编程过
程中扮演重要角色。
2.1　表观遗传学与细胞核移植　体细胞核移植入去
核卵母细胞后，要成功实现细胞重编程，首先，体
细胞必须停止表达其自身特定的基因产物；其次，
细胞核在卵母细胞细胞质的作用下重新建立新的基
因表达模式；再次，移植入细胞核的可遗传的表观
遗传学记忆必须删除。所有这些改变并不改变基因
组序列，而是通过表观遗传学改变来实现[30]。在细
胞核移植过程中供核细胞的表观遗传学标志的删除
和多能干细胞相关表观遗传学标志的重新建立对于
核移植成功与否是至关重要的，在正常发育的胚胎
中，表观遗传学的标记是经过配子发生和受精等在
较长时间内形成的，而核移植时，整个过程需要在
极短的时间内完成，在此过程中极可能会发生表观
遗传学异常改变，使得重编程不完全[ 3 1 ]。例如
Bourc’his等[32]证明克隆胚胎细胞中的某些基因具有
高甲基化水平，与供体细胞核非常相似，其去甲基
化状态明显不足，提示核移植后的细胞重编程并不
完全 。
与此同时，研究也发现大部分的克隆胚胎并不
完全健康，克隆动物胚胎经常会出现一种称为“胎
儿过大综合征”(large offspring syndrome)的症状，
这与临床上所见的印记基因相关疾病 Beckwith-
360 生命科学 第21卷
iedemann 综合征非常相似，其临床表现包括胚胎过
度增生、巨舌、发育巨大等[33 ]，研究表明，该病
的主要原因在于11号染色体上的IGF2和CDKN1C 两
个印记基因的错误表达引起，同样提示核移植过程
中的体细胞重编程并不完全[34]。另外，很多看起来
健康的克隆动物面临很多不同的健康问题，而且克
隆动物细胞基因表达谱不正常[35]。这些问题的产生
机制目前尚不完全清楚，但是科学家们一直推测其
可能与包括印记基因在内的表观遗传学调控机制有
关[36]。印记基因是一组独特的调控胚胎生长和发育
的基因，特别是在胎盘中发挥作用，而且对于出生
后的行为和认知亦发挥作用。印记基因的表达对于
环境的改变非常敏感，研究表明，通过辅助生殖建
立的人类胚胎和核移植建立的不同物种的克隆胚胎
中印记基因存在广泛的甲基化缺陷[37, 38]。在整个基
因组范围内，近 50% 的克隆牛和羊的胚胎有严重
DNA 甲基化和组蛋白乙酰化重编程错误，而且在一
些特定的基因位点甲基化错误的概率更高[39, 40]。
这些结果都表明了表观遗传学在细胞重编程中
具有关键调控作用，细胞重编程是否成功的关键就
在于表观遗传学是否能够重建，细胞重编程其实可
以看作就是表观遗传学的重编程。
2.2 　表观遗传学与诱导性多能干细胞　很多研究已
经表明表观遗传学对于维持干细胞多能性发挥着非
常关键的作用[41]，因此表观遗传学的改变在iPS细
胞建立过程中同样具有关键的作用。
随着大规模测序技术的发展，使得在全基因组
范围内研究表观遗传学的变化成为可能。Mikuelsen
等[42]通过基因组学分析方法对重编程的机制进行了
研究，结果提示iPS细胞建立效率极低主要由于两
方面的原因：一是重编程过程中对分化相关的转录
因子抑制不完全；二是 D N A 的去甲基化不完全。
该研究小组分别对特定转录因子进行knockdown和使
用DNA甲基转移酶抑制剂影响表观遗传学改变，两
种方法的结果均显示可以提高重编程的效率。
成功的重编程体细胞成为iPS细胞需要可靠的
重构表观遗传学改变，包括 DNA 甲基化、组蛋白
修饰及雌性细胞内静息的X染色体的重新激活等[43]。
在iPS细胞实际应用中同样需要特别关注表观遗传学
的改变，因为表观遗传学的异常可以引起肿瘤等疾
病的发生[44]。最近的研究在基因水平、染色体水平
和整个基因组水平分析了iPS细胞表观遗传学的改
变，结果表明其表观遗传学与ES细胞非常类似[45]。
但也有研究表明在对成纤维细胞和多能干细胞包括
iPS细胞的甲基化水平分析时，发现iPS细胞与胚胎
干细胞相比呈现出较高的甲基化水平[46]。
调控iPS 细胞建立的确切机制虽然尚未明确，
但是，Jaenisch 和 Young[47]指出，DNA新生的甲基
化和整体低甲基化水平对于细胞重编程和维持细胞
多能性非常关键，另外，组蛋白修饰和PcG(Polycomb-
group)蛋白对于ES细胞的干性也是必需的，需要在
重编程的细胞中重新表达。针对这些认识，研究者
利用调控表观遗传学改变的小分子化合物可以明显
提高iPS 细胞生成的效率，并简化iPS 细胞诱导的
方 法 。
研究表明，利用两个小分子化合物和Oct4 及
Klf4两个转录因子可以成功诱导小鼠胚胎成纤维细
胞形成iPS 细胞，所用小分子化合物分别为 BIX-
01294[G9a histone methyltransferase (G9a HMTase)
Inhibitor，G 9a 组蛋白甲基转移酶抑制剂]和
BayK8644(L-channel calcium agonist，一种钙激
动剂)[48]。另外，DNA 甲基转移酶抑制剂和组蛋白
脱乙酰化酶抑制剂亦可提高重编程效率，尤其是丙
戊酸(valproic acid，VPA，一种组蛋白脱乙酰化酶
抑制剂)可以提高重编程效率超过100倍[49]。更进一
步的研究表明，添加VPA 的 Oct4、Sox2 两因子诱
导体系中，重编程也可以进行，说明小分子化合物
不仅可以提高诱导重编程的效率，同时可以替代某
个诱导因子来进行重编程[50]。这些调控表观遗传学
改变的小分子化合物在诱导iPS生成过程中具有确定
的作用，还具有更大的开发前景，仅利用小分子化
合物就能实现iPS的重编程是今后研究人员努力的方
向。
表观遗传学另一个重要的组成部分是非编码
RNA，包括小核仁 RNA、m ic r o R N A、干涉 RN A
和小双链RNA 等多种RNA 分子。其中microRNA 在
干细胞发育分化调控中发挥着关键的调控作用，在
ES细胞发育分化和胚胎发育过程中表达很多特异性
的miRNA[51]，而且在神经细胞[52]和造血细胞分化[53]
中很多miRNA发挥重要调控作用。Wang 等[54]研究表
明，miRNA290 家族可以调控mES 细胞的G1/S 期的
转换，进而促进 ES 细胞的增殖，最近的研究表明
microRNA 可以和Nanog、Oct4 、Sox2 基因的编
码区发挥作用调控 ES 细胞的发育分化[55 ]，这为
microRNA直接参与干细胞多能性的维持提供了直接
的证据。
361第3期 习佳飞，等：细胞重编程与表观遗传学调控
在iPS细胞诱导形成过程中microRNAs 同样发
挥关键的作用。最近的一篇文章用microRNA 基因
芯片分析 iPS 细胞、ES 细胞和胎儿成纤维细胞中
microRNA 表达情况，结果表明在多能性干细胞中
存在明显上调的microRNA，如miR-302 等，而且
在iPS和 ES细胞比较时同样有microRNA 表达不同
存在，如miR-371/372/373等[56]。最新的一项非常
有意义的研究表明，单用Mir-302 可以将皮肤癌细
胞重编程为 ES 细胞样的多能干细胞，获得的多能
干细胞通过基因芯片检测表明其与人ES 细胞系H1
和 H9 相比，基因表达有86% 的相似性，microRNA
诱导的多能干细胞同样具有多向分化能力[57]。利用
miR-291-3p、miR-294 和 miR-295 可以提高Oct4、
Sox2 和 Klf4 三个因子重编程效率，但是在添加
c-Myc 后其促进作用消失，进一步研究表明c-Myc
可以结合这些 microRNA 的启动子，因此，这些
microRNAs 可能是c-Myc 的下游调控靶基因[58]。
microRNAs 在干细胞干性维持及iPS细胞建立
中的相关研究表明其在体外iPS细胞建立中发挥关键
的作用，利用小分子化合物和microRNAs 结合有可
能简单高地效建立iPS 细胞系。
3 结语
尽管细胞重编程研究领域取得了突飞猛进的进
展，但是该领域中依然有很多重要的问题有待于科
学家们进一步探讨和解决。科学家的关注的焦点将
进一步集中在对细胞重编程的表观遗传学调控机制
上，包括细胞重编程的过程中，在表观遗传学水平
上究竟发生了什么变化；iPS 细胞又是如何通过细
胞分裂和分化重新改变其表观遗传学特性；通过怎
样的表观遗传学调控机制最终可以使人们安全高效
获得iPS细胞，等等。以上问题的阐明可以使重编
程技术更好的应用于基础研究和临床应用，有助于
人们对疾病发生机制的明确，对新的疾病诊治药物
的开发也具有重要的理论和实际意义。
[参　考　文　献]
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