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)03-0353-04
收稿日期：2009-04-12
基金项目：国家自然科学基金(30625014; 90919028)
*通讯作者：E-mail: jhkang@tongji.edu.cn
细胞重编程的分子机制
陈涛涛1，康九红2*
(1 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；
2同济大学生命科学与技术学院，上海 200092)
摘 要：细胞重编程，尤其是诱导多能性干细胞的出现，给再生医学带来极大的希望。近年来，这
方面的研究吸引了众多科学家的参与，也取得了非常丰富的成果。本文主要从转录因子、表观遗传和
信号转导等角度，介绍了细胞重编程分子机制研究方面的进展和未来的方向。
关键词：细胞重编程；诱导多能性干细胞；转录因子；表观遗传；信号转导
中图分类号：Q 8 1 3 文献标识码：A
Molecular mechanisms of cell reprogramming
CHEN Tao-tao1, KANG Jiu-hong2*
(1Laboratory of Molecular Cell Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological
Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China; 2School of Life Science and Technology, Tongji
University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Cell reprogramming, especially the generation of induced pluripotent stem cells (iPSC) has opened a
new horizon in the treatment of degenerative illnesses. Studies on the generation and mechanisms of iPSC have
been the hot-spot and breathtaking progresses, which have been made since the first report on the iPSC
generation. In the present paper we review the role and molecular mechanism of transcription factors, epigenetic
regulation and cell signaling in cell reprogramming.
Key words: cell reprogramming; induced pluripotent stem cell; transcription factor; epigenetics; cell signaling
胚胎干细胞(ESC)是一群来源于胚胎囊胚期内细
胞团，能够在体外无限增殖，同时保持多向分化能
力的细胞。十多年前，人胚胎干细胞的成功分离给
再生医学带来极大希望。科学家们预期ESC定向分
化的研究将有助于加速细胞移植临床治疗的步伐。
然而，ESC 本身无法避免的伦理问题以及异体细胞
移植的免疫排斥问题构成了ESC治疗应用于临床的
巨大障碍。诱导多能性干细胞(induced pluripotent
stem cells, iPSC)的出现在很大程度上同时解决了以
上两个问题，iPSC最初通过向体细胞中以病毒方式
导入外源的四个转录因子而获得，具有与ESC相似
的形态和表观遗传特征，更重要的是，两者具有相
似的分化能力，即分化的全能性(pluripotency)[1]。
iPSC的出现使得无伦理争议的患者特异性(patient-
specific)的干细胞获得成为可能，而由患者特异性
的iPSC分化得到的特异性前体细胞和成熟细胞在组
织器官移植治疗、基因治疗、药物筛选模型建立，
以及特异疾病分子机制的研究方面无疑具有相当大
的优势和潜力[2]。自 2006 年第一篇iPSC 的报道以
来，这个领域已经在各国科学家的努力下有了突飞
猛进的发展。目前，已有三个小组宣布成功获得无
病毒整合(virus free)的人类iPSC[3-5]。但是，在iPSC
诱导技术迅速进展的同时，对于iPSC诱导过程中分
子机制的研究却进展缓慢，这成为iPSC应用于临床
的主要障碍。我们知道，外源因子诱导的细胞重编
程是一个非常缓慢的过程，通常需要两周甚至更长
时间，在这个过程中，大部分细胞并未被重编程，
只有极少数(一般为0.5％)的细胞在经过了若干个中
间态之后被完全重编程[6]。显然，阐明这一过程的
354 生命科学 第21卷
机制不仅有助于我们认识全能性的建立、细胞身份
(cellular identity)的确立等一些基础的细胞生物学过
程，而且有助于发展更加安全和有效的iPSC诱导方
法以及iPSC 未来在临床方面的应用。反之，在了
解清楚iPSC形成的机制以及它可能对机体造成的影
响之前，iPSC 很难走入临床一线治疗。
在外源因子诱导体细胞重编程形成iPSC的过程
中，细胞内的基因表达发生了革命性的变化，即原
来终末分化成体细胞特有的标志性基因被沉默的同
时，维持干细胞全能性必需的基因被激活了[7]。由
于这一过程中整个基因组没有变化，显示细胞的重
编程过程很大程度受到表观遗传学调节的控制，但
其中的分子机制以及各种表观遗传的变化又受到哪
些因素调节目前报道还很少。本篇综述的目的在于
探讨重编程分子机制研究的最新进展和将来可能的
发展方向。
1 重编程过程的中间态
最初的iPSC 是通过用药物筛选内源干性基因
(包括Fbx15,Oct3/4及 Nanog)的激活来获得的。有
意思的是，与通过Oct3/4或Nanog筛选获得的iPSC
相比，通过Fbx15 筛选获得的iPSC 与 ESC 之间有
更大的差异，表现为Fbx15筛选获得的iPSC囊胚注
射不能获得嵌合体小鼠[8-10]。因此，通过Fbx15 筛
选获得的iPSC 可能代表了一种不完全重编程的状
态，是重编程过程中的一种中间态。这一点也被后
来的一系列研究证实，即由外源因子诱导的重编程
过程是一个缓慢的过程，并包含若干个中间态。
Konrad Hochedlinger小组分析了小鼠胚胎成纤维细胞
(MEF)重编程为iPSC的动态过程，发现这一过程中
的一系列分子生物学事件是顺次发生的，首先是
MEF 特异的Marker 基因Thy1 的下调，紧接着是干
细胞特异的Alkaline phosphatase和SSEA-1的激活，
接下来外源基因沉默，内源的干性相关基因激活，
而端粒酶的激活和X 染色体的重激活则是更晚发生
的事件[11]。Jaenisch小组选取了完全重编程的iPSC
细胞系和若干个处于不同状态的不完全重编程的细
胞进行对比，发现不完全重编程的细胞有些是因为
干性相关基因启动子区的DNA甲基化状态未能成功
改变，有些是因为这些细胞仍表达一些成体细胞特
异的转录因子。相应的，如果用 DNA 甲基化酶抑
制剂 AZA 处理细胞去除 DNA 甲基化，或敲除相应
的组织特异性转录因子，就可以使这些不完全重编
程的细胞到达完全重编程的状态[12]。这些研究也从
另外的侧面证明了一种细胞发育和分化的模型，即
细胞的身份是由转录因子决定，并由细胞的表观遗
传状态来保持。
重编程中间态的出现可能与外源导入的转录因
子在基因组上的结合情况有关。Sridharan等[13]分析
了Yamanaka因子(Oct3/4、Sox2、cMyc和 Klf4)在
完全重编程的iPSC及部分重编程的iPSC中的基因组
结合位点，并与 ES 细胞中的相应数据进行比了比
较。他们发现，在部分重编程的细胞中，任意一
个Yamanaka 因子单独结合的基因已经到达了与ES
细胞相似的状态，但是在ES 细胞中被Oct4、Sox2
和Klf4共同结合的一些重要的干性相关因子在部分
重编程的细胞中则没有被这些因子结合，因而也没
有完全被激活。同时，如果分别将四个因子单独导
入到MEF 中，cMyc 可以导致最类似于ES 细胞的表
达谱，这说明 cMyc 发挥作用主要在重要的干性相
关因子激活之前，而其他因子起作用的时间更靠
后，但对于完全的重编程则更关键[13]。对重编程中
间态机制进行深入研究，有助于从一个全新的角度
去诠释细胞分化和发育中的关键问题。
2 转录因子在iPSC诱导中的功能
2006 年，由Yamanaka 领导的研究小组发表了
第一篇iPSC的研究论文，报道了将Yamanaka 因子
同时导入MEF 中即可诱导细胞获得分化的多能性。
紧接着，又有数个研究小组重复了这一实验结果，
并证明 cMyc 基因对于完全的重编程并不是必需
的[8-10,14]。这些开创性的工作使得以Yamanaka因子
为代表的转录因子成为了 iPSC 研究者们关注的焦
点。很快，科学家们就发现，Yamanaka 因子并不
能够把所有种类的细胞都转变为iPSC，Jaenisch小
组的研究发现成熟的B细胞重编程为iPSC需要在四
因子的基础上过表达骨髓细胞特异的转录因子
C/EBPa，或者抑制B细胞特异的转录因子Pax5，说
明虽然不同种类的细胞可能都具有通过重编程形成
iPSC的潜力，但是细胞的类型和分化状态对于重编
程有重要的影响[15]。此后，Yu等[16]发现利用Oct3/4、
Sox2、Nanog 及 Lin28 的组合也可以成功地获得人
的iPSC；Mali等[17]发现在Yamanaka因子或Oct3/4、
Sox2、Nanog及 Lin28 组合基础上添加SV40 T an-
tigen都能大大提高重编程的效率; Liao等[18]发现
Oct3/4、Sox2、cMyc、Klf4、Nanog 及 Lin28 六
因子的组合能使重编程的效率提高10倍; Yang等[19]
发现在四因子基础上增加UTF1同时抑制p53基因的
355第3期 陈涛涛，等：细胞重编程的分子机制
表达可以提高重编程的效率; Feng等[20]报道了核受体
Essrrb在重编程过程中可以替代cMyc和Klf4的
作用。更让人鼓舞的是，Hans Scholer小组于2008
年报道，由于神经干细胞(NSC)内源高表达Sox2基
因，所以仅用两因子(Oct3/4、cMyc 或 Oct3/4、
Klf4)就可以成功地把NSC重编程为iPSC[21]。随后，
他们又成功地仅用Oct3/4一个因子就将NSC诱导成
为iPSC[22]。NSC 细胞可由四因子、三因子、两因
子直至一因子的不同组合达到完全重编程的目的，
不仅为研究不同转录因子在重编程过程中的作用提
供了极好的模型，为研究不同种类细胞重编程和
ESC 细胞定向分化中转录因子的功能提供了示范，
也为科学家们最终不依靠外源基因转入诱导iPSC的
目标提供了基础和信心。
3 表观遗传调节在iPSC诱导中的功能
在iPSC 的诱导过程中，起始细胞的基因组并
没有改变，但基因表达及基因启动子区 DNA 甲基
化、组蛋白修饰等则发生了重要变化[6-8，10-12]，重
编程领域的众多科学家认定iPSC形成过程实质上就
是一个全基因组范围内的表观遗传修饰的重置过
程。运用小分子化合物干预细胞表观遗传状态影响
重编程效率和进程的研究进一步证实了这一观点。
Jaenisch 小组发现在重编程过程中用AZA抑制DNA
甲基化酶Dnmt1 的活性可以提高重编程的效率，证
明基因组DNA 的去甲基化是重编程过程中需要克服
的一重障碍[12]。Melton小组发现组蛋白去乙酰化酶
(Hdac)抑制剂VPA可以将四因子诱导的重编程效率
提高一百倍之多，说明组蛋白的去乙酰化也是细胞
在重编程过程中需要克服的一道障碍[2 3 ]。D i n g
Sheng小组发现组蛋H3K9甲基化酶的抑制剂BIX可
以极大的提高重编程的效率[24]，说明特定位点的组
蛋白修饰(如BIX 所针对的H3K9me2)对重编程的进
程有着重要的影响。尽管有各种表观遗传修饰调节
iPSC形成的证据，但不同表观遗传修饰在这一过程
中的作用及机制在很大程度上仍是未知的，这将是
未来iPSC 机制研究中最重要的一个方向。
4 基因转录调节网络和信号转导网络在iPSC诱导
中的功能
Kim 和我们实验室分别研究了ESC细胞中外源
和内源Yamanaka 因子在全基因组范围内的结合位
点。研究发现，Yamanaka 因子可以以单个、两个、
三个或四个因子一起的方式结合在特定基因的启动
子区，而且不同转录因子间的结合具有协同作用，
仅被一个因子(cMyc外)结合的基因在ESC细胞中表
现为沉默，而被两个或两个以上因子结合的基因则
多表现为激活；同时，被转录因子cMyc 结合的基
因，无论表达还是生物学功能都明显的不同于被其
他核心转录因子(Oct4, Sox2, Klf4)结合的基因，这
在一定程度上解释了为什么cMyc基因对于完全的重
编程并非是必需的[25-26]。Chen等[27]也运用ChIP-seq
的方法分析了干细胞相关转录因子(Nanog、Oct4、
STAT3、Smad1、Sox2、Zfx、c-Myc、n-Myc、
Klf4、Esrrb、Tcfcp2l1、E2f1、CTCF)与两个转
录调控因子(p300、Suz12)间的关系，扩展了干细
胞相关转录因子调控网络的范围。这些研究为转录
因子调控网络在重编程过程中的机制研究提供了丰
富的信息。我们的研究还利用生物信息学手段，从
信号转导网络的角度进一步研究了Yamanaka因子在
ESC 细胞多能性维持和体细胞重编程中的作用，发
现Yamanaka因子共同调控了16条发育相关的信号通
路，其中9 条通路在ESC 中的作用尚未见报道[25]。
近来的研究显示，M E K p a t h w a y 的抑制剂
PD0325901、Wnt 信号通路的激活剂、L- 型钙离子
通道激活剂都能有效提高iPSC的重编程效率；在特
定信号通路抑制剂存在下，终于克服了大鼠ESC细
胞系建立这一科学界的难题等，充分证明了信号转
导通路研究在ESC 全能性、分化以及iPSC 重编程
技术及机制研究中的关键作用[28-30]。我们先前的研
究也证明，细胞信号转导是表观遗传修饰基因特异
性的重要决定因素[31]。考虑到信号转导通路小分子
激动剂和抑制剂方面的丰富成果，重编程信号转导
机制的研究必将极大地推动iPSC小分子化合物诱导
方案的建立和发展。
综上，细胞重编程机制的研究仍处于起步阶
段，其中仍有许多未知的问题有待解决。特别是在
已经获得了真正virus free的iPSC的情况下，对于
ESC和iPSC的比较可以完全排除外源基因残留的干
扰，这样我们就能更好的认识iPSC 的本质及其与
ESC的异同，并把多年ESC研究的结果应用到iPSC
的研究和应用中。同时，阐明iPSC 应用于临床可
能带来的不良影响和副作用，以便获得更适合于建
立各种疾病模型和应用于临床的iPSC，也迫切要求
对iPSC诱导机制进行更深入的研究。 最后，对于
使用何种方法诱导iPSC，怎样才能更安全更有效，
也是细胞重编程机制研究的题中之意。为了尽可能
获得完全重编程的细胞，使用更少的因子或许并非
356 生命科学 第21卷
是最好的选择[32]，这就要求我们更充分的了解不同
的转录因子、不同的表观遗传修饰以及不同的信号
通路在细胞重编程过程中的作用。ChIP-chip 等高
通量数据的获取和生物信息学手段的应用，无疑将
极大地加速这些研究的进程。
[参 考 文 献]
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