利用化学小分子实现人胚胎干细胞多能性状态的转化

小鼠胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells,ESCs）具有两种不同的多能性状态-原始态多能性（naive pluripotency）和始发态多能性（primed pluripotency）,这两种多能性干细胞在形态、自我更新维持条件、基因表达、表观遗传学特征以及单克隆形成率等方面都存在明显差别。传统条件下分离和培养的人胚胎干细胞（human Embryonic Stem Cells,h ESCs）生物学特征更接近始发态多能性状态,需依赖转基因操作才能获得和维持原始态多能性状态。本研究通过在培养体系中添加化学小分子成功地将已建系的始发态多能性h ESCs转化为原始态多能性干细胞,转化后h ESCs呈紧密、圆形、隆起的三维克隆结构,具有两条活化的X染色体,单克隆形成率提高,基因表达更接近原始态多能性特征。结果提示h ESCs也存在两种多能性状态,不同的体外培养环境可获得具备不同多能性特征的h ESCs。原始态多能性状态的获得使h ESCs在基因治疗、器官再生等领域具有广阔的应用前景,而仅改变培养条件,不依赖基因操作的培养方式大大提高了原始态多能性干细胞应用的安全性。     

人类及小鼠胚胎干细胞的不同多能性状态

胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)是来源于早期胚胎的全能性细胞,在合适条件下具有分化为任何一类成体细胞的潜力。在小鼠中,根据细胞来源的胚胎发育时间,ESCs可以被分为原始态多能性(na(?)ve pluripotency)和始发态多能性(primed pluripotency)两种状态。这两种状态的细胞在发育上相互联系,具有不同的形态、信号依赖、发育性质、基因表达及表观遗传学性质,并且在特定的条件下可以相互转化。人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESCs)的发育潜能曾一度被认为低于小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,mESCs),直到人类原始态胚胎干细胞的发现证明了hESCs可以表现出与mESCs相似的性质。这对于人类胚胎发育的研究及ESCs在临床治疗上的实际应用都具有重要的意义。     

小鼠上胚层多能干细胞研究进展

小鼠上胚层干细胞(mouse epiblast stem cell,mEpiSC)是一种来自于5.5天~7.5天小鼠胚胎上胚层(epiblast)组织的多能性干细胞。EpiSC自我更新能力和多能性的维持主要依赖激活素(Activin/Nodal)和成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)信号,Activin和FGF信号对细胞多能网络进行调控,EpiSC培养体系和分离方法目前仍处于不断优化的过程。相比于处于"幼稚(na?ve)"状态的小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cell,mESC),mEpiSC被认为处于"待发(primed)"状态。虽然mEpiSC被注射入囊胚后,细胞嵌合效率较低,但是当其被移植入着床后胚胎时,却比mESC更容易与受体胚胎发生嵌合。因此,来源于小鼠着床后胚胎的EpiSC与来自于着床前胚胎的ESC相比,在多能性维持、发育潜能和诱导方法等方面存在本质区别。该文对小鼠EpiSC和ESC进行比较,并综述目前小鼠EpiSC的研究进展。     

灵长类原始态多能干细胞的研究与挑战

啮齿类和传统的灵长类多能干细胞(pluripotent stem cells,PSCs)在很多方面表现出不同的属性.根据发育阶段、克隆形态、信号依赖、线粒体代谢、嵌合能力、基因表达以及表观遗传等差异,哺乳动物干细胞多能性被分为原始态(Naive)和始发态(Primed)两种状态.啮齿类PSCs表现为Naive特性,而小鼠外胚层干细胞(epiblast stem cells,Epi SCs)和传统的灵长类PSCs表现为Primed特性.体外是否存在灵长类Naive PSCs是当前干细胞研究的一个关键性科学问题,开展非人灵长类PSCs的研究对于解决该问题起到至关重要的作用.最近几项研究通过各自的方法获得了不同的灵长类Naive-like PSCs,这些细胞在很多方面表现出类似于啮齿类PSCs的Naive特性.本文分析了啮齿类和灵长类胚胎发育差异性产生不同PSCs的可能机制,总结了本研究组和其他研究小组在灵长类干细胞多能性方面的研究进展以及原始态(Naive)和始发态(Primed)PSCs自我更新的调控机制差异最后,对灵长类干细胞多能性研究存在的问题进行了分析,对将来的研究重点进行了展望.     

MicroRNA对胚胎干细胞的多能性网络调控

胚胎干细胞(Embryonic stem cells, ESCs)是一类能够无限增殖和诱导分化为多种类型细胞的干细胞。MicroRNA(miRNA)是一类内源性具有调控基因表达功能的非编码RNA, 在ESCs增殖和分化过程中起重要作用。MiRNA可以通过对ESCs多能性网络中的转录因子、细胞周期、表观遗传学、信号转导等方面调控, 促使ESCs维持多能性状态。文章重点综述了miRNA的生成过程、调控ESCs多能性的主要miRNA家族以及miRNA对ESCs多能性网络调控作用等内容。     

多能性胚胎干细胞与DNA甲基化的关系

胚胎干细胞是一种能够维持自我更新、具有无限扩增能力的多能性干细胞。灵长类多能干细胞（iPSCs）根据其发育能力、细胞形态、基因表达谱以及表观遗传学的差异分为初始态多能干细胞（pPSCs）和原始态多能干细胞（nPSCs）。nPSCs因其容易进行基因工程处理以及体内外再生出功能组织器官等优势而在临床潜在应用上备受关注,因而有效维持ESCs的原始状态对其用于基础及临床研究具有重要意义。nPSCs的线粒体活性和自我更新能力高于pPSCs,且这两种多能性干细胞在DNA甲基化等方面都存在明显差别,DNA甲基化在nPSCs的转化及代谢中起到重要的作用。本文综述了DNA甲基化对ESCs的作用,特别是维持原始态的作用。     

转录因子Oct-4调控下游靶基因及其与胚胎发育全能/多能性的关系

作为一个和胚胎发育全能／多能性相关的转录因子,Oct-4通过多种多样的调控机制激活或抑制不同靶基因的转录,从而在细胞的全能／多能性及未分化状态的调控维持中发挥重要的作用。已知受Oct-4调控的靶基因中,不仅有一些重要的转录因子如Rex-I,而且有一些参与重要细胞活动的基因如Fgf-4,因此对Oct-4调控下游靶基因的研究将有助于对其在分化发育中所起作用的进一步了解,同时对全能／多能性这一发育学基本问题及其调控网络有一个新的认识。     

Rex-1对Oct4转录活性的调控

Rex-1和Oct4是在多能性细胞中特异表达的转录因子,而Rex-1的生物学功能及其调控胚胎干细胞(ES细胞)多能性和分化能力的机制尚不清楚。实验探讨了Rex-1和Oct4的相互关系,利用免疫荧光实验和免疫共沉淀实验证明了Rex-1和Oct4两种蛋白共同定位于细胞核中,证明二者之间有直接的相互作用。 进一步的活性分析表明Rex-1能够抑制Oct4的转录激活活性。这些数据提供了一种新的调控Oct4活性的机制。     

体细胞重编程研究进展

多细胞生物个体的分化细胞均通过一系列动态调控机制维持其稳态,不同类型分化细胞之间的转化在自然条件下不会自发发生.通过实验手段可以逆转细胞分化的进程使之改变状态,从一种基因表达谱转换成另一套表达谱,从而实现细胞类型的转化也即重编程.目前已知可以通过4种不同途径,即核移植、细胞融合、胞质孵育及诱导多能干细胞,将终末分化的体细胞重编程为类胚胎干细胞的多能性干细胞状态,而后者具有发育成为动物个体所有细胞的能力.由于细胞重编程的过程能够将细胞命运逆转成为具有再生能力干细胞的状态,因此,这一领域的系列发现为再生医学、疾病个体化治疗及药物筛选提供了巨大的前景.     

PNAS：非转基因原态人类胚胎干细胞研究获进展

一直以来,科学家们都无法有效地将胚胎干细胞维持在它们的原始干细胞状态。这影响了胚胎干细胞在临床上的应用。来自华盛顿大学的研究人员报道了非转基因,初始原态人类多能干细胞的产生。并详细介绍了两种实验方法路径。这将有助于干细胞多能状态的基础研究和临床研究。     

人胚胎干细胞Na?ve多能性状态建立的研究进展

胚胎干细胞在体外具有无限的自我更新和多向分化的潜能,因而具有重要的社会和经济价值。但是关于已建系的人胚胎干细胞是否处在Na?ve多能性状态至今仍有争议。Na?ve多能性状态的人胚胎干细胞建立是体外研究人类早期发育以及评估人胚胎干细胞安全应用的基础。目前很多研究报告了Na?ve人胚胎干细胞构建的方法,已成为当前再生领域研究的热点方向之一。本文将对这些进展作一综述,不仅将有助于人们扩大对人胚胎干细胞多能性调控的理解,也将有利于其未来更加安全有效地应用于临床。     

线粒体与多潜能干细胞功能

线粒体是细胞内重要的细胞器,主要功能是通过氧化磷酸化为细胞生命活动提供能量。近年来,研究表明,在多潜能干细胞（Pluripotent stem cells, PSCs）中线粒体表现出独有的特征,即在多能性状态下,PSCs主要依靠糖酵解提供能量,其分化期间线粒体氧化磷酸化代谢能力逐渐增强。相反,体细胞重编程为多潜能干细胞期间,线粒体氧化磷酸化向糖酵解途径的转变是其成功重编程必需的代谢过程。另外,线粒体通过生物合成和形态结构的动态重塑维持了PSCs多能性、诱导分化及诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cells, iPSCs）的重编程。因此,本文综述了PSCs线粒体形态结构及其在调控PSCs多能性、合成代谢、氧化还原状态的平衡、分化及重新编程中的作用,为深入了解线粒体调控PSCs功能的作用提供理论基础。     

p300通过homeobox结构域增强Nanog的转录激活活性

胚胎干细胞(ES细胞)能够不断地进行自我更新来维持其多能性,很多转录因子共同调控着ES细胞的自我更新和多能性,Nanog就是其中之一,然而Nanog维持ES细胞多能性的机制并不清楚。p300是真核生物中普遍存在的转录辅助因子,与许多转录因子共同作用调控下游基因的表达。为探索p300是不是能够影响Nanog的转录活性,我们在细胞中共转Nanog(或突变体)及报告基因和p300,结果表明p300能够通过homeobox结构域增强Nanog的转录激活活性。     

维持胚胎干细胞多能性和自我更新的转录因子Oct-4/ Nanog以及相关的调控网络

Oct-4和Nanog是两种维持干细胞多能性和自我更新的转录因子, 它们通过结合靶基因调控区, 选择性地抑制分化基因表达或促进多能性基因表达。它们通常只在多能干细胞中表达, 在分化细胞中不表达。在不同的发育阶段, 它们的表达量受到特异调控, 并且分别与Sox-2、FoxD3等其他转录因子以及LIF、BMP等胞外信号通路互相作用, 形成一个复杂的转录调节crosstalk网络, 在特异时空激活或抑制靶基因的转录; 通过互相制约最终决定干细胞是保持多能性还是分化, 以及向哪个方向分化。此外, Oct-4和Nanog对体细胞重编程为多能细胞也有重要作用。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞(胚胎干细胞或诱导型多能干细胞)具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

RNA结合蛋白在多能干细胞命运转变中的研究进展

RNA结合蛋白(RNA binding proteins,RBPs)是一类通过其RNA结合结构域与RNA相互作用的蛋白质,在细胞内发挥着非常重要的作用。RBPs参与从RNA代谢(包括RNA的可变剪接、稳定性、翻译)到表观遗传修饰等多种调控途径。已有大量文献报道转录因子、表观遗传修饰和细胞外信号通路参与调控干细胞的多能性维持、分化和体细胞重编程,但对于RBPs在细胞命运转变中作用的研究报道甚少。该文主要综述了RBPs通过调控RNA的可变剪接、mRNA稳定性、翻译水平、microRNA代谢及组蛋白修饰进而调控干细胞多能性维持和体细胞重编程。     

SETD8~(–/–)抑制人胚胎干细胞向造血分化

表观遗传调控作为一种广泛的基因表达调控方式,已被报道可以参与干细胞多能性、谱系分化等生物学过程。虽然许多表观遗传调控因子的功能已被解析,但仍有一些并未被深入研究。SETD8(赖氨酸甲基转移酶5A, lysine methyltransferase 5A)作为一种甲基化转移酶,已被证实能够介导组蛋白H4第20位赖氨酸的单甲基化,并且可以参与细胞周期、P53介导的DNA损伤等过程。但是, SETD8是否可以直接调控人胚胎干细胞的多能性及其谱系分化还没有报道。该研究首先利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在人的胚胎干细细胞中敲除SETD8。功能研究表明,敲除SETD8显著降低了多能性基因OCT4和NANOG的表达水平,并且抑制了体外造血发育过程。接着利用了siRNA在造血发育不同时期敲低STED8,发现均可以抑制造血发育过程,进一步证实了SETD8可以在各个阶段调控体外造血发育。     

异染色质在多能性维持中的作用和调控机制

多能干细胞(pluripotent stem cell, PSC),包括胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESC)和诱导多能性干细胞(induced pluripotent stem cell, iPSC),具有无限自我更新及分化成体内所有类型细胞的潜能,因此,在再生医学中有着重要的临床应用前景.独特的异染色质及其组蛋白修饰对于PSC的多能性、快速增殖、命运决定和基因组稳定性起重要作用.本文总结了近年来发现的异染色质在维持多能性和基因组稳定性中的作用和机制,以及PSC如何维持其特有的异染色质状态.     

NANOG在哺乳动物早期胚胎发育与干细胞中的功能研究进展

哺乳动物的早期胚胎发育和干细胞多能性由转录因子构成的基因网络所调控。2003年,在胚胎干细胞中发现的重要转录因子NANOG位于基因网络调控中心,对胚胎第二次命运决定和基态多能性的建立至关重要。该文将在NANOG生物学特征的基础上,重点讨论其在早期胚胎发育、胚胎干细胞与诱导性多能干细胞中的功能。