重编程及诱导性多能干细胞在再生医学的研究进展

重编程及诱导性多能干细胞在再生医学的研究进展 重编程及诱导性多能干细胞在再生医学的 研究进展 中华口腔医学研究杂志(电子版)2010年4月第4卷第2期 ChinJStomatolRes(ElectronicEditio!,P!y.,59 重编程及诱导性多能干细胞在再生医学的研究进展 刘路韦曦凌均桑 细胞分化是由多种特定的分化基因网络相互作用,共 同调控完成的生物学过程.如骨髓间充质细胞矿化.是在 TGFI3/BMP,Wnt,Notch和Cadherin等信号通路协同作用 下.先分化为成骨细胞.随后矿化完成的….在一定条件下 该程序可逆向编程.称为细胞重编程(reprogramming)或去分 化(de—differentiation)[2-3]由于胚胎干细胞(embryonicstem ce11s.ESCs)的应用面临伦理及免疫排斥等问题,而将体细 胞去分化为多能性干细胞.不仅可弥补ESCs的不足,而且符 合法律和伦理规范.因此具有广阔的应用前景,是当前干细 胞组织工程学和再生医学研究的最前沿_5_.近年来.在干 细胞组织工程学领域出现了较大的突破和进展.但许多问题 仍然未得到解答.如已分化细胞重编程为更早期更原始细 胞的能力,干细胞微环境对分化,转分化,重编程的作用和 影响.分化,转分化和重编程的关系等l7.由于其复杂性,分 化及再生中涉及的分子调控机制尚不清楚.使对该生物学 行为的认识以及干细胞治疗的临床应用受到了限制 一 ,转分化和去分化 较早的研究认为.只有未分化状态的细胞具备多向分 化潜能,而部分或完全分化细胞不具备该功能_8_.然而.去 分化,转分化(transdifferentiation),可塑性(plasticity)概念 的提出打破了这一传统观念去分化是分化的细胞类型转 化为另一较原始的具备更多分化潜能的细胞类型.分化的 细胞状态转化为类似胚胎干细胞或前体细胞的状态l9f1o] 转分化最初定义为已分化细胞通过出生后的细胞核基因编 程转化为另一分化的细胞类型的不可逆的过程l】].随后. 转分化概念被用于描述单功能分化的细胞类型转化为可分 化为多细胞器官的多种细胞类型.以及组织特异性干细胞 跨胚层分化的过程转分化属于广义的细胞类型转换 (metaplasias).是一种由核心调控基因masterswitchgene) 表达改变而引起的细胞形态和性能改变可塑性指成体干 细胞不仅可以生成它们所在组织的成熟细胞.而且在特定 环境下能跨系或跨胚层转化成其他组织类型细胞的能力. 如基因标记的骨骼肌细胞和神经干细胞可在一定条件下分 化为造血干细胞[12] 尽管存在争议.许多关于低等脊椎动物的报道表明转 DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-1366.2010.02.015 基金项目:国家自然科学基金(30872876);广东省科技项 目(2008B030301075) 作者单位:510055广州.中山大学光华口腔医学院.附属口腔 医院?口腔医学研究所 通讯作者:凌均柴,电子邮箱:lingjq@mail.sysu.edu.cn,电话: 020—83862558 . 综述. 分化和去分化在自然界中绝非偶然现象[13-14].转分化和去 分化涉及数个关键基因及其网络的调控.对该分子机制的 研究有助于进一步认识细胞的发育生物学.为干细胞治疗 的应用提供理论依据.然而,鉴定转分化和去分化的金标 准:转分化的细胞转换是否首先通过细胞去分化.回到一个 较原始的状态.再向另一方向分化]:转分化和去分化是否 由相似的分子机制和不同程度的细胞核重编程完成.该过 程是否为时空依赖性的生物学过程.受表达的基因和元件 协同网络调控[15]等问题尚待探讨 二,重编程及诱导性多能干细胞 ESCs具备良好的干细胞潜能.但越来越多的研究表明 ESCs涉及难以解决的伦理,免疫排斥等问题.相对而言.众 多器官来源的成体干细胞易于获得,不存在免疫排斥,逐渐 成为细胞替代治疗的研究热点和种子细胞的来源然而,大 多数成体干细胞自我增殖和多向分化能力有限.且多为异 质性细胞群.干细胞比例极低.作为种子细胞应用的可能性 受到限制_16].因此诱导成人体细胞成为多能干细胞将提供 有效的解决途径 2006年.Takahashi等_2_将从ESCs中筛选获得的24个 候选基因分别插入逆转录病毒载体.感染小鼠胚胎成纤维细 胞(mouseembryonicfibroblast,MEF),揭示Oct-4,Sox一2,C— mvc,K1f4四种基因组合转染的MEF具备与ESCs相似的细 胞形态,表面标记,自我增殖和多向分化能力,从而将转染细 胞命名为诱导性多能干细胞(inducedpluripotentstemcells, iPS).随后.Yu等[171通过整合14个重编程候选重组基因人 人类体细胞,证实0ct-4,Sox-2,Nanog及Lin28在重编程及iPS 细胞形成中的作用最为突出.其中Oct-4和Sox-2直接影响iPS 细胞克隆形成.而Nanog及Lin28则可协助Oct一4/Sox一2作 用.提高克隆形成率和iPS细胞存活率重编程及诱导性多 能干细胞是干细胞领域的重大发现.对解决种子细胞来源 稀少的问题具有重要意义.然而.对于重编程及诱导性多能 干细胞的认识还停留在初级阶段.其具体调控机制,信号 通路,与微环境的关系以及iPS在体内的成瘤性等问题尚未 解决.且人工诱导iPS细胞的方法及效率均有待提高6.1S] ESCs全能性相关转录因子Oct一4蛋白由octamer连接 转录因子4基因(Oct4,Oct3/4,Pou5F1)编码.属于POU家 族成员,是诱导,维持细胞多能性及未分化状态的主要调节 因子_l9].大量研究发现.Oct.4在维持ESCs多能性和重编程 iPS细胞的基因调控网络中具备重要作用.其表达的丧失可 导致多能性的丧失,细胞分化及iPS细胞克隆形成能力的 丧失_2_",2o]随后研究揭示人类0ct4两个亚型呈现不同的 表达模式.并在维持自我更新和多向分化潜能方面具备不 60旦壁堕兰查(皇王)第4卷第2期 ChinJStomato1Res(ElectmnicEdition),April2010,Vo1.4,No.2 同的功能l2】].Oct4A亚型位于细胞核内.与维持干细胞性能 和转录因子功能相关:而Oct4B主要表达于细胞质.对干细 胞功能的维持未证实有明显相关作用.此外.自我更新和胚 胎干细胞系标记Sox2(SexdetemainjngregionYbos-2)也被 报道在诱导多能干细胞和胚胎干细胞中具备不可或缺的关 键作用[6-7]Sox一2是SRY相关HMG盒转录因子家族成员. 在早期胚胎发育中与0ct4呈现相关的表达模式并协同调 控早期胚胎发育相关基因的表达[22].通过RNA干扰敲除 Sox2可与Wnt信号通路核心元件B—catenin反应.使Wnt通 路靶基因CCND1和c—myc下调.从而抑制矿化Oct4和 Sox2可共同作用启动多种转录因子(如c—mvc,Klf4,FGF4 和Nanog)的表达,调控细胞多能性,提示了Oct4一Sox2复合 体在细胞分化和重编程基因调控网络中的核心地位有学 者提出.在人类和小鼠胚胎干细胞中Sox2均为Oct4的靶基 因.直接受Oct4调控然而.近年研究提出Oct4对骨髓细 胞和组织来源成体细胞多能性的维持并非不可缺少.Sox2 在成人体细胞重编程的过程中具备独立的作用.甚至可影 响Oct4的表达[ 三,重编程在口腔再生医学的研究现状 在口腔干细胞组织工程和再生医学领域.关于诱导性 多能干细胞重编程核心调控因子的研究尚属起步阶段 2006年,Kerkis等从脱落乳牙中分离到表达Oct一4,Nanog, SSEA一3,SSEA一4等胚胎干细胞标志的牙髓干细胞.Cheng 等]亦报道成年猩猩的牙髓组织中含有Oct一4,Sox-2,Nanog, Rex.1阳性细胞此外.Agata等证实缺氧状态可激活未 分化的猪牙髓细胞中Oct一4和Sox-2的瞬间表达.而对已矿 化诱导的牙髓细胞无明显作用Techawattanawisal等则发 现.体外诱导成体大鼠牙周韧带细胞.可强表达sox一2和弱 表达干细胞标记ABCG2.但不表达Oct一4 四,存在问题及前景展望 关于分化这一可逆性过程的研究目前仍存在许多未解 答的问题.如在非自然条件下的细胞类型转换是否颠覆了 传统的发育和分化理论.细胞重编程及其最终的状态是否 由外源性环境信号,细胞内在分子机制抑或两者共同决 ]迄今.我们对组织再生和细胞重编程的分子调控机制 定_3】 知之甚少.转染和细胞核移植是目前认为最有效的诱导体 细胞重编程的方法然而.由于缺乏鉴定iPS的金,该 作法是完全的重编程抑或细胞融合的假象尚无定论l3l. 在各种成体细胞中.重编程可能存在一个共同的基因 调控网络.或许通过组织特异性的网络调控,导致不同组织 来源细胞自我更新和多向分化能力.而如何高效的引入关 键核心基因调控网络.以确保该基因网络能在各种发育分 化等生物学转化过程中发挥稳定作用尚不清楚.有研究 表明.干细胞迁移至新环境可分化为表达该组织特异性标 记的细胞.但它们依然无法完全具备该组织来源细胞的所 有生物学特性有学者提出,组织特异性干细胞在体内存 在多潜能状态.该状态由外源性和内源性干细胞微环境信 号共同调控.而不是单一由Oct4等几个转录因子调控]. 如果这是事实,体内和体外干细胞微环境可能对重编程过 程有不同的作用.核心转录因子激活,出生后的基因修饰启 动,以及随后的基因表达模式的改变和重编程过程.可能由 干细胞微环境启动和诱导由此可见.分子水平的细胞重编 程过程仍需进一步研究.才能为体内实验以及将来的临床 应用提供可靠的实验依据 综上所述.细胞重编程及诱导性多能干细胞的发现为 解决组织工程中种子细胞来源不足这一难题具有重要意 义虽然诱导性多能干细胞最终的临床应用仍面临许多技术 问题,如重编程基因的稳定持续表达,提高转染效率,非病 毒载体的应用等.但体细胞重编程为多能干细胞仍可望为 再生医学和干细胞治疗全身性疾病提供优质种子细胞.在 不久的将来应用于各种老年性相关疾病和损伤修复治疗 2 3 4 5 6 7 8 9 1O 参考文献 LianJB,SteinGS,JavedA,eta1.Networksandhubsforthe transcriptionalcontrolofosteoblast.genesis.RevEndocrMetab Disord,2006,7(1—2):1—16. TakahashiK,YamanakaS.Inductionofpluripotentstemcells fromInouseembryonicandadultfibroblastculturesbydefined factors.Cell,2006,126(4):663—676. RizzinoA.Achallengeforregenerativemedicine:proper geneticprogramming,notcellularmimicry.DevDyn,2007, 236(12):3199—3207. YanJ,XuL,WelshAM,eta1.Combinedimmun0suppressive agentsorCD4antibodiesprolongsurvivalofhumanneuralstem cellgraftsandimprovediseaseoutcomesinamyotrophielateral sclerosistransgeniciniee.StemCell,2006,24(8):1976—1985. YuJ,VodyanikMA,Smuga—OttoK,eta1.Inducedpluripotent stemcelllinesderivedfromhumansomaticcells.Science. 2007,318(5858):1917—1920. ParkIH,ZhaoR,WestJA,eta1.Reprogrammingofhuman somaticcellstopluripotencywithdefinedfactors.Nature, 2008,451(7175):141-146. ZhaoR,DaleyGQ.FromfibroblaststoiPScells:induced pluripoteneybydefinedfactors.JCellBiochem,2008,105 (4):949—955. Andr6sV,Walsh,K.Myogeninexpression,cellcycle withdrawal,andphenotypicdifferentiationaretemporally separableeventsthatprecedecellfusionuponmyogenesis.J CellBiol,1996,132(4):657—666. OdelbergSJ,KollhoffA,KeatingMT.Dedifferentiationof mammalianmyotubesinducedbymsx1.Cell,2000,103(7): 1099一l109. SongL,TuanRS.Transdifferentiationpotentialofhuman mesenchymalstemcellsderivedfrombonemarrow.FASEBJ, 2004,18(9):980-982. SelmanK,KafatosFC.Transdifferentiationinthelabialgland ofsilkmoths:isDNArequiredforcellularmetamorphosis?Cell Differ,1974,3(2):81—94. 中华口腔医学研究杂志(电子版)2010年4月第4卷第2期 ChinJStomatolRes(ElectronicEdition),April2010,Vo1.4,No.2 12BjOiTISOflCR,RietzeRL,ReynoldsBA,eta1.Turningbrain intoblood:ahematopoieticfateadoptedbyadultneuralstem cellsinvivo.Science,1999,283(5401):534—537. SdnehezAlvaradoAS,TsonisPA.Bridgingtheregeneration gap:geneticinsightsfromdiverseanimalmodels.NatRev Genet,2006,7(11):873—884. TsonisPA.Regenerationviatransdifierentiation:thelensand haircells.HearRes,2007,227(1—2):28—31. KashoferK,BonnetD.Genetherapyprogressandprospects: stemcellplasticity.GeneTher,2005,12(16):1229—1234. MertesH.PenningsG.Cross—borderresearchonhunmn embryonicstenlcells:legalandethicalconsiderations.Stem CellRev,2009,5(1):10—17. YuJ,VodyanikMA,Snmga—OttoK,eta1.Inducedpluripotent stenlcelllinesderivedfromhumansomaticcells.Science, —1920. 2007.318(5858):19】7 ZaehresH,Sch01erHR.Inductionofpluripotency:frommouse tohuman.Cell,2007,131(5):834-835. BabaieY,HerwigR,GreberB,eta1.AnalysisofOct4一 dependenttranscriptionalnetworksregulatingself-renewaland pluripoteneyinhumanembryonicstemcells.StemCells,2007, 25(2):500—510. LengnerCJ,WelsteadGG,JaenischR.Thepluripotency regulatorOct4:aroleinsomaticstemcells?CellCycle, 2008,7(6):725—728. LeeJ,KimHK,RhoJY,eta1.ThehumanOCT一4isgforms differintheirabilitytoconferself-renewa1.JBiolChem. 2006,281(44):3355433565. LiJ,PanG,CuiK,eta1.Adominant-negativeformofnlouse SOX2inducestrophectodermdifferentiationandprogressive polyploidyinmouseembryonicstemcells.JBiolChem,2007, 282(27):19481—19492. GrecoSJ,LiuK,RameshwarP.Functionalsimilaritiesamong genesregulatedbyOct4inhumanmesenchymalandembryonic stenlcells.StemCells,2007,25(12):3143—3154. GrinnellKL,YangB,EckenRL,eta1.De—differentiationof nlouseinterfollicularkeratinocytesbytheembryonic transcriptionfactorOct一4.JInvestDermatol,2007,127(2): 372—380. 25LenguerCJ,CamargoFD,HochedlingerK,eta1.Oct4 expressionisnotrequiredformousesomaticstemcellself- renewa1.CellStemCell,2007,1(4):403—415. 26FongH.HohensteinKA.DonovanPJ.Regulationofself- renewalandpluripotencybySox2inhumanembryonicstenl cells.StemCells,2008,26(8):1931—1938. 27KerkisI,KerkisA,DozortsevD,eta1.Isolationand characterizationofapopulationofimmaturedentalpulpstenl cellsexpressingOCT一4andotherembryonicstemcellmarkers. CellsTissuesOrgans,2006,184(3-4):105-116. 28ChengPH,SnyderB,FillosD,eta1.Postnatalstem/progenitor cellsderivedfromthedentalpulpofadultchimpanzee.BMC CellBiol,2008,9:20. 29AgataH,KagamiH,WatanabeN,eta1.Effectofischemic cultureconditionsonthesurvivalanddifferentiationofporcine dentalpulp—derivedcells.Differentiation,2008,76(9):981— 993. 30TechawattanawisalW,NakahamaK,KomakiM,eta1. Isolationofmuhipotentstemcellsfromadultratperiodontal ligamentbyneurosphere—formingculturesystem.Biochem BiophysResCommun,2007,357(4):917-923. 31Durcova-HillsG.Inducedreprogrammingofhumansomatic cellsintopluripoteney:anewwayhowtogeneratepluripotent stenlcells.Differentiation,2008,76(4):323—325. 32MbalavieleG,ShinCS,CivitelliR.Cell—celladhesionand signalingthrougheadherins:connectingbonecellsintheir microenvironment.JBoneMinerRes,2006,21(12):1821— 1827. 33BoulangerCA,SmithGH.Reprogrammingcellfatesinthe mammarymicroenvironment.CellCycle,2009,8(8):1127- 1132. (收稿日期:2010—01—10) (本文编辑:王嫂) 刘路,韦曦,凌均菜.重编程及诱导性多能干细胞在再生医学的研究进展[J/cD].中华 口腔医学研究杂志:电子版,2010, 4(2):195—198. 本刊声明 读者.作者.编者 本刊已被中国学术期刊网络出版总库,中文科技期刊数据库(版),中国核心期 刊(遴选)数据库全文收录,其作者 文章着作权使用费与本刊稿酬一次性结付.如作者不同意文章被收录,请在来稿时 向本刊声明,本刊将做适当处理.