体细胞重编程为诱导多能干细胞

诱导多功能性干细胞（induced pluripotent stem cells,iPS细胞）是通过导入特定的转录因子（如Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4等）将体细胞诱导重编程为多能性干细胞,其功能与胚胎干细胞相似.iPS细胞的建立,在生命科学领域引起了新的轰动.目前,iPS细胞的研究领域在转录因子的优化、iPS细胞的筛选、载体的运用、体细胞种类的选择和iPS细胞的应用等方面取得突破进展,但仍然存在致癌性、效率低等一系列急需解决的问题.     

2012年第3期《遗传》封面说明

2006年,日本京都大学的Yamanaka研究组在《Cell》上率先报道了利用逆转录病毒感染技术,把转录因子Oct3/4、Sox2、Klf4和cMyc导入胚胎或成年小鼠的成纤维细胞中,诱导出与胚胎干细胞极为相似的多能性干细胞,并将其命名为诱导多能性干细胞(Induced pluripotent stem cells,iPS细胞)。相较于胚胎干细胞,iPS细胞的生产不需要卵母细胞或早期胚胎细胞,因而不涉及胚胎毁损等伦理问题;此外,利用自体来源的iPS细胞进行移植治疗将可避免异体间的免疫排     

体细胞重编程为多能干细胞的研究进展

胚胎干细胞不仅是研究哺乳动物早期胚胎发育、细胞分化、基因表达调控等发育生物学问题的有力工具,还可用于新药评价、细胞治疗等方面的研究.然而,为科学研究而捐献的人类卵子并不能够轻易获得,限制了人类胚胎干细胞相关研究的进展,解决这个问题的理想办法就是找到能够替代胚胎干细胞的其他成体多能细胞.综述了将哺乳动物体细胞诱导为多能干细胞的方法,重点介绍了利用特定的转录因子将体细胞诱导为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS细胞)的最新进展,详细阐述了转录因子在诱导细胞重编程过程中发挥的作用,以及iPS细胞筛选与鉴定的方法,并展望了iPS细胞的应用前景.     

一种获得猪诱导性多能干细胞的新方法

诱导性多能干细胞技术表明,通过过表达4个重编程因子可使体细胞逆转到多能性的状态,为建立更多家畜动物的多能性干细胞系提供了新的方法,如猪、牛、羊等农业动物.莫洛尼氏鼠白血病逆转录病毒载体被广泛应用于小鼠iPS细胞的建系和机制研究上,然而这种病毒只能感染小鼠和大鼠细胞,这限制了它在其他哺乳动物iPS细胞系建立上的应用.本实验采用一种新的逆转录病毒系统,可以高效便捷地从猪成纤维细胞中获得iPS细胞.通过在GP2-293细胞中包装VSV-G蛋白包被的病毒,仅一步感染猪成纤维细胞即可转入4个人源重编程因子（Oct4,Sox2,Klf4和c-Myc）.在添加有碱性成骨因子bFGF的人类胚胎干细胞培养体系中,成功建立6株和人类胚胎干细胞形态极其相似的猪iPS细胞系.这些猪iPS克隆具有较大的细胞核/细胞质比例、边界清晰、细胞呈扁平状等特征.在体外可以分化成拟胚体,注射入免疫缺陷性小鼠体内可以形成畸胎瘤,含有3种胚层类型的组织.     

诱导多能干细胞(iPS)的诱导培养与鉴定

通过外源转录调控因子的诱导,使成体细胞重编程为胚胎干细胞(ES细胞)样的多能细胞,这种细胞称为诱导多能干细胞(iPS细胞),这一方法被称为iPS技术。目前,iPS技术已先后在小鼠、人、猕猴、大鼠和猪中成功应用,建立了相应的iPS细胞系,并获得了iPS细胞嵌合小鼠和四倍体克隆小鼠。尽管iPS与ES细胞在形态和生长特性上有许多相同之处,但iPS细胞的建立需要较独特的诱导培养体系和鉴定方法。以下结合近年来iPS技术的发展和本实验室的相关研究,对iPS细胞的建立和培养体系的优化进行了深入探讨。     

疾病特异诱导多能干细胞研究进展

通过病毒或非病毒转导体系,在小鼠和人的体细胞中人为表达几个与细胞多能性相关的转录因子,从而使细胞达到类似于胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs）状态,是近年来新发展起来的体细胞重编程技术。这些被重编程的细胞称为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells,iPS细胞）。这项技术为获得患者和疾病特异的多能干细胞提供了新的途径。患者和疾病特异的iPS细胞的获得,不仅在避免免疫排斥的宿主特异的细胞移植治疗上有广泛前景,并对了解疾病发生机理、药物筛选和毒性研究有着重要的意义。该文综述从iPS细胞技术的发明入手,着重讨论疾病iPS细胞的研究进展及其在应用于治疗时亟需解决的问题。     

特定因子诱导多能干细胞

胚胎干细胞由于具有发育上的全能性,被认为是用于移植治疗的最佳来源。然而,由于人的胚胎干细胞直接运用引发免疫排斥以及触及伦理矛盾,人们一直在研发多能干细胞。2006年,多能干细胞的研究有了重大进展。首先,Yamanaka实验室构建用逆转录载体将候选因子导入成纤维细胞,而后检测多能性标志基因的表达。结果发现,四种因子Oct3/4、Sox2、c-Myc以及Klf4的组合产生了表达多能性标志基因才有的抗药性的克隆,意味着细胞获得了多能性。用这种方法筛选的细胞无论在形态和增殖分化能力方面均类似于干细胞,而且表达干细胞标志基因以及在体内外能向三个胚层的细胞类型分化,这种细胞被命名为诱导性多能干细胞(iPS细胞)。进一步,用更严格的筛选基因nanog得到的iPS能够嵌合到生殖系中。而后,运用改进的方法从人的成体成纤维细胞也可以得到iPS细胞。然而,这种方法得到的嵌合体小鼠存在肿瘤形成现象,可能是由于c-Myc逆转录病毒整合到了基因组。通过替代的方法,去掉c-Myc的iPS也能够获得。为了进一步降低肿瘤形成的几率,近来发展了一种不依赖于病毒的方法,用质粒载体作为介质。iPS进一步的研究热点在于安全性以及从更严格的医学角度提高诱导iPS的效率,其分子机理和相关的技术问题也有待解决和克服。     

利用piggyBac转座子制备牛成体多能干细胞诱导技术研究

通过逆转录病毒等媒介表达核转录因子Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc可将体细胞重编程为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSc)。时至今日,已经报道了小鼠、人、大鼠、猪、羊、马、牛的iPS细胞,但大动物iPS的多能性特别是嵌合体形成和生殖细胞传代还没有得到确认。与逆转录病毒等不同的是,piggyBac转座子转染效率高且无病毒源性、操作简单,可以在转座酶的存在下被安全切除。首次尝试了采用piggyBac转座子携带鼠源Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc、Rarg和Lrh16个核转录因子诱导胎牛成纤维细胞,成功获得牛类iPS细胞,其形态与小鼠胚胎干细胞相似,克隆边界清晰、呈丘状、克隆内细胞致密、核大。RT-PCR与免疫组织化学染色分析均显示牛类iPS细胞表达多能性基因。该类细胞体外诱导分化可形成类胚体EB,且表达3个胚层的基因;体内诱导分化可形成畸胎瘤,苏木精、伊红染色显示瘤体有三胚层的分化。上述结果显示利用piggyBac转座子制备牛多潜能干细胞诱导技术可行,产生的牛类iPS细胞具有潜在多能性。     

无饲养层和动物源蛋白的β-地中海贫血诱导多能干细胞系的建立

β-地中海贫血患者因无合适的造血干细胞供体来源从而不得不靠输血维持生命。诱导多能干细胞(iPS)技术为获得患者自身遗传背景的干细胞进行临床治疗开拓了新途径。目前,建立iPS细胞系的过程需要使用小鼠胚胎成纤维细胞作为饲养层和动物源的蛋白成分,因此建立的iPS细胞系存在病原体和动物源蛋白污染的可能性,不能应用于临床。采用目前商品化的TeSRTM2和StemAdhereTMDefined Matrix限定培养体系,利用Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc 4个转录因子组装在同一表达载体的可切除的慢病毒感染人β-地中海贫血成纤维细胞,建立了5株无饲养层和动物源蛋白的β-地中海贫血iPS细胞系,这些iPS细胞系具有人胚胎干细胞典型的特征,表达人胚胎干细胞的多能性分子标记,如Oct4、Nanog、Tra-1-60等。在体外分化能够形成拟胚体,在体内分化能够形成含有3个胚层类型细胞的畸胎瘤。     

诱导多能干细胞及其在神经退行性疾病研究中的应用

用干细胞转录因子OCT4、SOX2、c-MYC和KLF4进行体细胞重编程产生具有胚胎干细胞特性的诱导多能干细胞(iPS细胞)是干细胞研究领域的突破性进展。近年来,iPS细胞的研究从产生方法、重编程机理及实际应用方面不断取得进展。由于iPS细胞的产生可取自体细胞,因而克服了胚胎干细胞应用的伦理学和免疫排斥等缺陷,为iPS细胞的临床应用开辟了广阔的前景。该文将对iPS细胞的产生方法、重编程机理及其在神经性退行性疾病的研究与应用进行文献综述,反映近几年iPS细胞最新研究成果,并阐述了用病人iPS细胞模型探讨帕金森氏病、老年性痴呆症、脊髓侧索硬化症、脊髓肌肉萎缩症及舞蹈症等5种常见神经性退行性疾病发病机理的研究现状。     

核移植与诱导多能干细胞技术在体细胞重编程研究中的应用

体细胞重编程是指分化的体细胞在特定的条件下被逆转后恢复到多能性或全能性状态,或者形成多能干细胞系,或者形成早期胚胎然后发育成一个新的个体的过程。诱导体细胞重编程的方法有许多,如核移植（nuclear transfer,NT）、细胞融合、细胞培养和通过导入特定因子获得诱导多能干（induced pluripotent stem,iPS）细胞的方法等。其中核移植和iPS技术是到目前为止诱导体细胞为多能干细胞最为完全、最具有运用于临床再生医学潜能的方法。然而,它们的效率都很低,机制也不清楚,如何将两个方法结合在一起,提高重编程的效率,揭示重编程的机制,进而促进其在患者特异性治疗中的运用将是下阶段的努力方向。     

c-Myc对诱导性多能干细胞的诱导效率及全能性影响的研究

该研究探讨转录因子c—Myc对多能诱导干细胞（inducedpluripotentstemcells,iPS）诱导效率及形成的iPS克隆全能性的影响。将Yam,dnaka四因子（Oct4、Sox2、Klf4和C—Myc,OSKM）和不舍C。Myc的三因子（OSK）病毒分别感染OG2小鼠成纤维细胞（mouseembryofibroblast,MEF）,诱导成为iPSN胞,通过计数iPS克隆形成数目和流式细胞仪分析iPS克隆的绿色荧光蛋白（GFP）阳性比例。比较OSKM和OSK诱导iPS的效率。分别挑取三株OSK和OSKM诱导的iPS克隆,采用荧光定量PCR法、碱性磷酸酶fAP）染色法和免疫荧光法检测iPS克隆的干性相关蛋白的表达;采用畸胎瘤实验、嵌合体形成实验和四倍体补偿实验检测iPS克隆的全能性。结果显示：在该实验室诱导体系里,OSK病毒感染MEF后形成的iPS克隆数目明显增多,GFP阳性克隆的比例增加。OSK和OSKM诱导iPS克隆的干细胞基本特征,包括形态、AP染色、干细胞特异性基因表达、三胚层形成均没有明显差异。然而,OSK诱导iPS克隆在形成嵌合体小鼠的全能性评估实验中的阳性比例高于OSKM克隆,且只有OSK克隆株能够获得生殖系传递小鼠和四倍体补偿小鼠。该研究表明,在实验诱导体系里去除C—Myc的三因子OSK诱导iPS的效率显著高于OSKM四因子,且三因子诱导iPS克隆具有更好的全能性。     

Generation of Induced Pluripotent Stem Cell Lines from Tibetan Miniature Pig

Induced pluripotent stem cell (iPS) technology appears to be a general strategy to generate pluripotent stem cells from any given mammalian species. So far, iPS cells have been reported for mouse, human, rat, and monkey. These four species have also established embryonic stem cell (ESC) lines that serve as the gold standard for pluripotency comparisons. Attempts have been made to generate porcine ESC by various means without success. Here we report the successful generation of pluripotent stem cells from fibroblasts isolated from the Tibetan miniature pig using a modified iPS protocol. The resulting iPS cell lines more closely resemble human ESC than cells from other species, have normal karyotype, stain positive for alkaline phosphatase, express high levels of ESC-like markers (Nanog, Rex1, Lin28, and SSEA4), and can differentiate into teratomas composed of the three germ layers. Because porcine physiology closely resembles human, the iPS cells reported here provide an attractive model to study certain human diseases or assess therapeutic applications of iPS in a large animal model.     

Induced pluripotent stem cells

Induced pluripotent stem cells (iPS) result from a reprogramming of somatic cells via transduction with viral vectors expressing the Oct4, Sox2, c-Myc, Klf4, Nanog, and Lin28 genes, which are essential for the establishment and maintenance of the pluripotent state. In properties, iPS are almost fully similar to embryonic stem cells (ESC). To date, iPS have been obtained from various differentiated cells of mice and humans. Along with ESC, iPSs are highly promising for research and medicine.     

Nucleostemin maintains self-renewal of embryonic stem cells and promotes reprogramming of somatic cells to pluripotency

Nucleostemin (NS) is a nucleolar GTP-binding protein that was first identified in neural stem cells, the functions of which remain poorly understood. Here, we report that NS is required for mouse embryogenesis to reach blastulation, maintenance of embryonic stem cell (ESC) self-renewal, and mammary epithelial cell (MEC) reprogramming to induced pluripotent stem (iPS) cells. Ectopic NS also cooperates with OCT4 and SOX2 to reprogram MECs and mouse embryonic fibroblasts to iPS cells. NS promotes ESC self-renewal by sustaining rapid transit through the G1 phase of the cell cycle. Depletion of NS in ESCs retards transit through G1 and induces gene expression changes and morphological differentiation through a mechanism that involves the MEK/ERK protein kinases and that is active only during a protracted G1. Suppression of cell cycle inhibitors mitigates these effects. Our results implicate NS in the maintenance of ESC self-renewal, demonstrate the importance of rapid transit through G1 for this process, and expand the known classes of reprogramming factors.     

兔Oct4启动子驱动RFP基因表达载体的构建及验证

转录因子OCT4在维持和调控胚胎干细胞的多能性中发挥着重要的作用。Oct4基因启动子驱动标志蛋白的表达对研究胚胎干细胞多能性和建立iPs细胞有重要意义。由于GFP在慢病毒转染过程中常用作转染标记,计划构建兔Oct4基因启动子（rOct4）驱动红色荧光蛋白表达的载体,这将有利于兔ES细胞和iPS细胞制备的研究。通过PCR方法扩增rOct4,构建了rOct4驱动RFP基因的表达载体rOct4-RFP。经转染小鼠ES细胞验证正确后,将rOct4-RFP质粒转染兔成纤维细胞系获得rOct4-RFP成纤维细胞系。经过酶切和测序验证,证明rOct4-RFP构建成功,而且能够在小鼠Es细胞系E14中表达细胞红色荧光蛋白,并受细胞分化状态的调控。通过脂质体介导的基因转移、抗性筛选和PCR鉴定建立了rOct4-RFP转基因成纤维细胞系。