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
维持胚胎干细胞多能性的分子机制
潘光锦，裴端卿*
（中国科学院广州生物医药与健康研究院，广州 510663）
摘　要：胚胎干细胞(ES细胞)来源于早期发育的胚胎，具有分化为任何细胞类型的多能性，因此具有
巨大的基础研究及潜在的应用前景。目前认为 ES细胞主要通过一些外源性信号分子的作用及某些重要
的内源性转录因子的表达共同起作用来达到其维持多能性的目的。外源性信号分子 LIF、BMP4 以及
Wnt等介导的信号传导通路与内源性转录因子 Oct4、Nanog、Sox2、FoxD3等共同起作用来抑制那些
促进 ES细胞分化的基因表达和激活那些有助于维持 ES细胞多能性维持的基因表达，进而形成一个相互
调控和依存的基因调控网络共同维持 ES细胞的多能性。
关键词：胚胎干细胞；自我更新；分化
中图分类号：Q 81 3　　文献标识码：A
Molecular mechanisms on embryonic stem cell pluripotency
PAN Guangjin, PEI Duanqing*
(Guangzhou Institute of Biomedicine and Health, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510663, China)
Abstract: Derived from early embryo, embryonic stem (ES) cells have potential to self renew indefinitely and
develop to any type of cells in human body (pluripotency). Several extrinsic signals such as LIF, BMPs and
Wnt can support the self-renewal and pluripotency of embryonic stem (ES) cells through regulating the “pluri-
potent genes.” In combination with intrinsic transcription factors such as FoxD3, Nanog, Oct4 , these factors
form a regulatory network to support or limit each other’s expression level, which maintain the properties of ES
cells.
Key words: embryonic stem cells; self-renewal; differentiation
收稿日期：2007-07-10
作者简介：潘光锦(1974 —)，男，博士；裴端卿(1965 —)，男，博士，教授，博士生导师, * 通讯作者，E-mail:
pei_duanqing@gibh.ac.cn
文章编号 ：1004-0374(2007)04-0372-06
胚胎干细胞(ES细胞)来源于哺乳动物胚胎发育
早期的胚泡(blastocyst)内的内细胞团(ICM)，是最
原始的干细胞，它位于个体发育的顶端，具有发育
的全能性，能够分化为组成机体的所有类型的细
胞，进而形成机体的任何组织和器官，并具发育成
完整个体的能力[1-3]。经过多年的努力，研究者已
能成功地在胚胎发育到胚泡阶段时分离出 ICM细
胞，然后在体外进行传代培养而同时保持其多能
性，也就是使其在体外培养时处于未分化状态，这
些细胞便是 ES细胞[2-4]。通过对鼠 ES细胞的研究，
人们已经积累了许多 ES细胞的生物学特性，体外
培养及诱导条件等方面的知识。人 ES细胞的研究
起步较晚，但也取得了突破性进展。研究者已成功
地在体外建立了人的 ES细胞系，并且能够使其在
体外成功地进行增殖并保持未分化状态[5]。人ES细
胞的研究涉及一些伦理方面的问题，也引起各方面
的一些争议。一些国家纷纷出台了一系列关于人ES
细胞研究的规章制度，对人 ES细胞的研究权限作
出了一定的限制。由于人 ES细胞具有巨大的应用
潜能，而鼠 ES细胞的研究成果远远不能适用于人
373第4期 潘光锦，等：维持胚胎干细胞多能性的分子机制
ES细胞将来的应用需要，所以各国科学家对人 ES
细胞的研究热情有增无减。就 ES细胞的生物学特
性来说，它区别于其他细胞类型最为突出的三个生
物学特性为：(1)ES细胞能够无限制地进行忠实的
自我复制(self-renewal) ；(2)适当条件下，在自我分
裂增殖过程中能够永久维持全能性；(3)将 ES细胞
注射到哺乳动物发育早期的胚胎中，它能够整合到
胚胎中并随着胚胎的发育分化成任何可能的胚胎组
织。ES 细胞之所以引起研究者的重大关注是基于
其多能性的存在及由此产生的巨大潜在应用前景。
1　外源性信号分子对于ES细胞多能性的作用
1.1　LIF和STAT3信号通路　在外源性信号分子方
面，LIF和 STAT3信号通路起了非常重要的作用。
众所周知，小鼠的胚胎干细胞在体外培养过程中需
要靠滋养层细胞才能其维持多能性和未分化状态。
滋养层细胞的这一作用正是通过分泌LIF 来实现的。
LIF是 IL-6家族中的一员，LIF分子与其受体结合
后，刺激受体蛋白与 gp130形成二聚体后致使 JAKs
受到活化。活化后的 JAKs反过来进一步磷酸化LIF
受体及 gp130的酪氨酸残基。磷酸化的 gp130酪氨
酸残基可作为STATs转录因子家族中的STAT3的结
合位点进一步使 STAT3磷酸化。磷酸化的 STAT3
行成二聚体后重新在核中定位并激活一系列目标基
因[6-7]。LIF基因敲除后的滋养层细胞失去了支持ES
细胞未分化状态的能力，并且在无滋养层存在的情
况下，在培养液中添加LIF也能使ES细胞的多能性
得以维持。这充分说明了 LIF 途径的重要性[8-9]。另
外，也有许多研究证明处于 LIF 途径下游的效应基
因——STAT3对于ES细胞多能性的重要性。 Niwa
等[10]的研究表明，在 ES细胞中过表达 STAT3的抑
制性突变体抑制了内源性STAT3的功能后，无论有
无LIF的存在，ES细胞都会丧失掉多能性而发生分
化；小鼠的 STAT3 基因敲除实验也证明了其对于
ES细胞多能性的重要作用[10]。
1.2　BMP4 维持ES细胞多能性的作用　 在ES细胞
的体外培养过程中，LIF能维持其多能性；但是在
ES细胞的培养液中，除了 LIF外还有血清的存在。
如使用无血清的培养基，单纯添加 LIF便不足以维
持 ES细胞的多能性，提示血清中可能存在其他的
因子与 LIF协同作用共同维持 ES细胞的多能性。
Ying等[11]的研究发现血清中的BMP4能够协同LIF共
同维持 ES细胞的多能性，在没有其他因子存在的
无血清培养基中，仅仅添加 LIF和 BMP4两种因素
便可成功的在体外培养 ES细胞。在这种条件下生
长的 ES细胞具有典型的 ES细胞的所有特性，如多
向分化潜能、嵌和鼠形成以及生殖系细胞转化等能
力。BMP4属于TGF-β家族，它通常通过激活SMAD
家族的转录因子转导其信号通路并激活一系列的下
游基因来发挥作用。在 ES细胞中，BMP4的主要
作用是通过激活 ID基因的表达来完成的。 在ES 细
胞中过表达 ID基因，即使没有 BMP4的存在，通
过 LIF 的协同也能维持 ES 细胞的多能性。Qi等[12]
发现BMP4维持ES 细胞的作用是通过抑制另外一条
信号途径—— p38MAPK的功能来实现的[12]。
1.3　Wnt 途径维持 ES 细胞多能性的作用　LIF、
BMP4等途径在鼠ES细胞的多能性维持方面起重要
作用。 然而在新近建立的人ES 细胞的培养过程中，
LIF 对于其多能性的维持却不起作用[13]。另外的信
号途径——Wnt通路不仅能够维持鼠ES细胞的多能
性，而且对于人 ES细胞多能性的维持也起非常重
要的作用[13-14]。GSK是Wnt信号通路中的一个重要
的激酶，它能够抑制整个Wnt通路的功能。研究
者利用一种GSK的特异性抑制剂(Bio)抑制了ES 细
胞GSK的活性，进而激活了整个Wnt 通路后，在
很大程度上增强了 ES 细胞的多能性。同时也能很
好地维持 ES 细胞的一些多能性标志基因—— rex1、
oct4、nanog等的表达。Bio及其功能的发现不仅有
重要的理论意义也具有重要的实际应用价值。
2　ES细胞多能性的转录因子调控
在 ES细胞的多能性维持方面，除了上述一些
外源性信号性分子起关键作用外，一些内源性的转
录因子发挥着更为重要的作用。这些内源性转录因
子包括 Oct4、Nanog、FoxD3、SoxD3, 以及上述
提到的 LIF通路的效应因子——STAT3等[15-16]。 这
些转录因子的表达仅存在于早期胚胎发育过程中的
多能细胞中，如 ICM、Epiblast等。随着胚胎的进
一步发育，这些多能细胞逐渐分化成成熟的组织细
胞类型而丧失了多能性，而此时这些多能性相关的
转录因子的表达也就随之消失。另外在体外培养的
细胞系中，这些转录因子也只局限在具有多能性的
细胞中，如 ES细胞、EC(胚胎瘤)细胞等。同样，
如果这些细胞由于分化而丧失了多能性，这些转录
因子的表达也就随之消失。 目前，这些转录因子的
表达与否已经成为衡量一种细胞是否具有多能性的
标志。
2.1　Oct4 与ES细胞的多能性维持　Oct4(也被称为
374 生命科学 第19卷
Oct3)属于含有 homeodomain 的 POU(Pit-Oct-Unc)转
录因子家族 , 通过结合八碱基的保守序列
“AGTCAAAT”(octamer motif)来激活或者抑制下游
基因的表达。Oct4 是第一个被发现只在多能细胞中
表达的转录因子，也是控制 ES 细胞多能性的主要
因子。在胚胎发育过程中，从受精卵开始到桑葚胚
阶段的细胞都表达 Oct4。到了胚泡期，Oct4仅局
限在多能性的内细胞团表达。随着胚胎发育的成
熟，Oct4在各种成熟组织中都失去表达，只在具
有多能性或全能性的生殖细胞中还维持一定量的表
达[17-19]。小鼠的 Oct4 基因被敲除后，在胚胎发育
的早期由于不能形成多能性的内细胞团而最终死
亡 [20]。因此，Oct4的功能被认为是控制细胞多能
性的决定性因素。的确，在对 ES 细胞中 Oct4的
功能研究中，Niwa等[21]发现，Oct4的量直接决定
着细胞多能性的有无。他们采用基因敲除及可诱导
的表达系统在 ES 细胞中表达不同量的 Oct4后发
现， 当 Oct4的量上调正常的 50%时，ES细胞会
向内胚层(primitive endoderm)方向发生分化；而当
Oct4的量下调正常的 50%时，ES细胞会向滋养层
(trophoblast)方向发生分化。只有Oct4 的量维持正
常水平的表达时，ES 细胞才能保持其多能性的存
在。Oct4的这种作用机制目前还没有发表的论文予
以解释。
Oct4的蛋白由 352个氨基酸组成，包括三个功
能性的结构域：POU domain、N domain及C domain。
POU domain行使DNA结合的功能；N domain富含
脯氨酸(prol ine)及酸性氨基酸是传统的转录激活
区[22]；C domain也具有一定的转录激活功能，但
它的功能具有细胞特异性。Brehm等[23]将Oct4的 C
domain 与不同的其他的转录因子的DNA 结合结构
域融合后，在不同的细胞中观察它们的活性。结果
发现，只有当它与 POU 家族的DNA 结合结构域融
合才表现出细胞特异性的激活功能；而与其他的
DNA 结合结构域，如 Gal4融合却没有这种现象。
这表明Oct4在发挥功能时需要其本身的POU domain
与某些特殊的因子相互作用才能精确的发挥功能。
Oct4的这种细胞特异性的功能结构域保证了它在整
个胚胎早期的不同阶段得以精确的发挥功能。
作为一个功能如此强大的转录因子，目前认为
Oct4在调控下游基因表达时发挥着双重功能，它可
以抑制一些促使细胞发生分化的基因表达，也能激
活那些有助于维持细胞多能性的基因的表达，其调
控方式也是多种多样。它可以通过结合自己的位点
直接调控基因的表达，也可以通过与其他转录因子
在蛋白水平相互作用来影响基因的表达。Liu等[25-26]
报道，Oct4可以通过结合自己的位点抑制hCG基因
的表达，而 hCG基因正是滋养层细胞中特异性表达
的基因。另一个则是Oct4 对 IFN基因的抑制。IFN
也是在滋养层组织中特异性表达的基因且受到转录
因子 Ets-2的激活。Yamamoto等[27]发现，Oct4能
够与 Ets-2发生蛋白相互作用，从而抑制 Ets-2 对
IFN基因的激活。这些研究表明，由于滋养层细胞
的分化过程伴随着 Oct4表达的丧失，从而解除了
Oct4对一系列基因的抑制才使分化得以顺利进行。
另一方面，在多能细胞中，Oct4 也能激活一系列
有助于维持细胞多能性的基因的表达[28-32]。FGF-4
是一个干细胞特异性的生长因子，在其基因的 3末
端有一段增强子序列对其表达特别重要。这段序列
上有Oct4和另一个转录因子 Sox2的结合位点。两
者协同作用共同调控 FGF4的表达[28-29]。另一个干
细胞因子UTF1也受到同样机制的调控[32]。
这些研究结果表明，正是由于 Oct4作用方式
的多样性及表达的特异性才充分保证了其维持干细
胞多能性这一强大功能的发挥。它就象一种开关，
控制着多能细胞在自我复制和分化两种命运之间的
转变[33-36]。然而迄今为止，关于 Oct4更为进一步
的作用机制，尤其所控制的下游基因网络及其本身
所受到的调控还了解得远远不够。进一步解释Oct4
结构与功能之间的关系及由其介导的下游基因网
络，以及其本身的被调控机制对彻底了解 ES细胞
的多能性具有重要的意义。
2.2　Nanog 与ES细胞的多能性　Nanog是一个最近
才发现的在维持ES细胞多能性方面具有强大功能的
内源性转录因子[37-38]。象 Oct4一样，Nanog也仅
局限在多能性细胞中表达。在胚胎发育过程中，
Nanog在桑葚胚(murola)的晚期到胚泡期中期的ICM
细胞有短暂的高表达。之后，随着胚胎的发育及细
胞多能性的消失而表达丧失。另外，通过Northern
blot实验证明，包括生殖组织在内的各种成体组织
及非多能性细胞系中没有Nanog的表达[37]。Nanog
基因敲除后的鼠ES细胞丧失了多能性并向原内胚层
细胞方向(primitive endodern)发生分化[38]。Nanog基
因敲除后的鼠胚胎在发育过程中不能形成由多能细
胞组成的原外胚层(epiblast)，进而不能正常发育成
小鼠。在鼠 ES细胞的体外培养中，作为一个仅由
375第4期 潘光锦，等：维持胚胎干细胞多能性的分子机制
305个氨基酸组成的含有Homeobox结构域的转录因
子，Nanog最大的特点是能够使 ES细胞不依赖于
LIF-STAT3途径而维持其多能性的存在。过表达
Nanog的鼠ES细胞在没有LIF的培养条件下经长时
间培养后，仍具有很强的自我复制能力，而且体外
诱导及嵌合鼠实验均证明这些 ES细胞具有和正常
ES细胞相同的多能性[37-38]。在没有 LIF的情况下，
过表达Nanog的 ES细胞中检测不到 STAT3的活性
形式——磷酸化 STAT3的存在。这表明，由Nanog
介导的维持ES细胞多能性的基因表达模式是独立于
LIF-STAT3-Oct4之外的另一途径，这两条途径对
ES细胞多能性的维持缺一不可。因为Oct4基因敲
除后的 ES细胞纵然有高水平的Nanog过表达，但
仍不足以维持其多能性的存在[38]。作为两个维持ES
细胞多能性的最为重要的转录因子，研究者已经对
Oct4的结构与功能及其介导的基因表达模式做了大
量的工作，对其调控 ES细胞多能性的分子机制有
一定的了解。而对于看上去比Oct4有着更为强大功
能的Nanog维持 ES细胞多能性的分子机制，人们
还知之甚少。Mitsui等[37]通过 SELEX技术筛选出了
Nanog蛋白在体外能够结合的寡核苷酸的中心序列
并在Gata6基因的启动子区发现有这些中心序列的存
在。据此，他们推测 Nanog可能通过抑制这些促
使细胞分化基因的表达从而维持 ES细胞的多能性。
总的来说，人们对 Nanog的结构与功能的关
系、调控基因的作用方式，以及其本身功能的被调
控方式还知之不多。阐明这些问题也是目前干细胞
研究领域的研究重点和热点，并具有重要的理论价
值。
2.3　ES多能性的转录因子调控网络　在胚胎早期的
发育过程中，除了 Oct4、Nanog外，还有一个转
录因子—— FoxD3也发挥着重要作用。FoxD3基因
敲除的小鼠在发育过程中不能形成多能性的原外胚
层(epiblast)。这种表型与Nanog 的基因敲除鼠具有
一定的相似性，提示两者可能存在着某种联系[5]。
FoxD3在ES 细胞中的功能目前研究的还不多。Guo
等[6]的研究表明，FoxD3也象Oct4、Nanog一样只
局限在多能细胞中表达。然而迄今为止，关于
FoxD3的作用，大部分工作都表明其在神经外胚层
的发育方面起一定的作用[7-11]，但它在干细胞中的
进一步详细机制还没有研究报道。
综上所述, ES细胞的多能性及自我复制能力的
维持涉及一系列具有重要功能的转录因子的作用，
而且它们在胚胎的正常发育过程中也起非常重要的
作用。如图 1-1所示：它们在早期胚胎发育过程及
ES 细胞的多能性维持过程中发挥着各自的功能，共
同调控整个胚胎的早期发育及体外ES细胞多能性的
维持。
3　总结
在早期胚胎发育过程中，Oct4和Nanog决定着
细胞的分化命运。桑葚胚阶段的细胞都具有多能
性，此时都有 Oct4的表达。当桑葚胚进一步发育
成囊胚时，拥有Oct4表达的细胞发育成囊胚阶段的
具有全能性的 ICM(ES细胞的来源)，失去Oct4表
达的细胞分化成滋养层细胞。此阶段，另一个重要
的转录因子Nanog也开始在 ICM细胞中表达，它和
Oct4共同维持 ICM细胞的多能性。随着囊胚的进一
步发育，多能细胞会经历第二次命运改变。拥有
Nanog表达的 ICM细胞形成仍具有多能性的上胚层
(epiblast)，上胚层在后来的发育过程中发育成代表
胚胎多个组织类型的内、中、外三个胚层
(Endoderm、Mesoderm、Ectoderm)。失去 Nanog
表达的 I C M 细胞分化为代表胚外组织的下胚层
(hypoblast)。随着胚胎的进一步发育，具有多能性
的细胞逐渐分化为各种成熟的组织细胞类型。伴随
着多能性的丧失，Oct4和 Nanog的表达也随之消
失。Sox2和 FoxD3在胚胎发育过程中参与着床后
(after implantation)上胚层多能性的维持。在ES细胞
的体外培养中，还需要添加LIF来维持ES细胞的多
能状态。LIF维持ES细胞多能性的作用最终是通过
磷酸化激活另一个重要的转录因子——STAT3来实
现的。STAT3功能的丧失也会导致 ES细胞发生分
化从而失去其多能性。在 ES细胞的体外培养过程
中Oct4的功能是阻止ES细胞向滋养层细胞方向发生
分化并维持 ES细胞的自我复制能力。Oct4通过激
活一系列有助于维持ES细胞多能性的基因的表达及
抑制一系列促进ES细胞分化的基因的表达来达到发
挥这一功能的目的。在 ES细胞的体外培养过程中，
另一个重要的转录因子——Nanog 对于ES细胞多能
性的维持也起到至关重要的作用，它能够使 ES细
胞在培养过程中不依赖于 LIF而维持其多能性的存
在。其功能是通过抑制一些促进 ES细胞分化基因
的表达(如Gata-4、Gata-6)并阻止 ES细胞向原内胚
层(primitive endoderm)方向发生分化来实现的。如
图 1所示，在 ES细胞的体外培养过程中，转录因
子 Oct4、Nanog、FoxD3、STAT3共同起作用来
376 生命科学 第19卷
维持 ES细胞的多能性及自我复制能力。它们分别
或者共同抑制那些促进ES细胞分化的基因表达，激
活那些有助于维持 E S 细胞多能性维持的基因表
达[12-18]。近年来，研究者在关于 ES细胞调控网络
的研究方面也作了大量的研究。研究发现 Oct4、
Nanog、Sox2等因子共同结合在许多基因的调控区
上进行基因调控[39-42]。而且在蛋白水平上，这些因
子以及其他的一些多能性因子也在一起相互作用和
调控[43]。由这些转录因子所介导的基因调控网络以
及各个网络之间的相互作用是干细胞多能性的分子
基础。阐明由这些转录因子所介导的基因调控网络
以及各个网络之间的相互作用有望彻底揭示干细胞
多能性的分子机制。
[参　考　文　献]
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