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。     

绿色荧光小鼠胚胎干细胞的分离与培养

目的:建立绿色荧光小鼠胚胎干细胞系.方法:以ICR及GFP转基因小鼠为实验动物,冲取交配后3.5天小鼠GFW-/+囊胚,去透明带后进行完全培养,以13.5天鼠胚胎成纤维细胞(MEF)为饲养层,并对细胞克隆用亚克隆的方法分离扩大培养.结果:获得了边缘清晰,表面平滑,结构致密,隆起生长的鸟巢状克隆,碱性磷酸酶染色呈强阳性,干细胞特异性的多能因子OCT4及Nanog表达呈阳性,且能稳定表达绿色荧光的雄性干细胞系.结论:本文为小鼠ES细胞系的建立提供了一种稳定而可靠的方法.     

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。     

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。     

体细胞重编程为诱导多能干细胞的研究

通过逆转录病毒将4个基因(Oct4 、 Sox2、c-Myc和Klf4)导入小鼠胚胎成纤维细胞 (mouse embryonic fibroblast, MEF)中,能诱导形成胚胎干细胞样特性的诱导多能干(induced pluripotent stem, iPS)细胞.人类iPS细胞的成功构建开拓了广泛的应用前景.本文简要综述了 iPS细胞的基因筛选,转导基因的选择以及iPS细胞的表观遗传特性等.     

转录因子与诱导型多能干细胞

小鼠的成纤维细胞通过转染四种转录因子（Oct3／4、Sox2、c-Myc和K1F4）可以被诱导转变成类似胚胎干细胞的多能性干细胞,称之为诱导型多能干细胞（induced pluripotent stem cell,iPS）,这种多能干细胞在细胞形态、增殖速率、致瘤性、基因表达以及形成嵌合小鼠的能力上与胚胎干细胞有许多相似之处,将来可能成为胚胎干细胞在临床应用中的替代。本文综述了iPS相关的几种转录因子,及其在重编程过程中的作用以及iPS的发展前景。     

胎儿肺组织来源间充质干细胞的分离、培养、鉴定及重编程初探

该文主要研究将进行胎儿肺部组织来源的间充质干细胞（mesenchymal stem cells derived from fetal lung,FL-MSCs）转变成为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells,iPS细胞）。首先使用酶消化法对胎儿肺部组织进行分离,然后采用常规方法进行培养并成功获得成纤维细胞样细胞。使用共聚焦技术检测获得的细胞,发现角蛋白表达呈阴性;共聚焦技术检测c-Myc、Oct4、Nanog以及Nestin四个干性相关因子,发现它们呈阳性;检测成纤维细胞样细胞的免疫表型,符合间充质干细胞的表型判断标准;然后进行诱导分化实验,发现这些细胞可以向成脂、成骨细胞分化,经过以上实验鉴定获得的成纤维细胞为FL-MSCs。使用Yamanaka四因子体系对FL-MSCs进行诱导,可以形成类似人胚胎干细胞（human embryonic stem cells,hES细胞）的克隆,采用核型分析、STR检测分析以及畸胎瘤形成实验初步验证获得的克隆为iPS。     

BALB／c小鼠胚胎干细胞系的建立及其嵌合体小鼠的获得

目的：建立BALB/c小鼠胚胎干细胞系,并用于制作嵌合体小鼠。方法：从BALB／c小鼠囊胚内分离培养内细胞团块。建系后,进行C57BL／6L小鼠受体囊胚腔注射,制作嵌合体小鼠,结果：建立了我国第一株BALB／c小鼠胚胎干细胞系,该细胞系具有典型的ES细胞形态,碱性磷酸酶强阳性,核型正常以及具有分化为三种胚层组织的能力,并已产生5只嵌合体小鼠,结论：建立的BALB／c小鼠胚胎干细胞系具有胚胎干细胞的各种特点,可用于体内外诱导分化研究,在进一步观察生殖系嵌合情况后,决定是否可应用于基因打靶等转基因动物的制作。     

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.     

iPS细胞的制备者——山中伸弥

iPS细胞是一种通过转入特定基因而将体细胞诱导出来的干细胞,拥有全能性,在治疗器官衰竭或坏死方面具有巨大潜力。2006年,日本科学家山中伸弥首次将小鼠成纤维细胞转入4个转录因子而制备成功iPS细胞,随后利用相似方法还获得人的iPS细胞．证明了这个方法的可行性。iPS细胞的发明从根本上改变了发育生物学领域的研究,为许多疾病的治疗带来了新的希望。通过介绍山申伸弥及iPS细胞的制备过程,对iPS发明历史有一个轮廓性的认识。     

Proliferation Rate of Somatic Cells Affects Reprogramming Efficiency

The discovery of induced pluripotent stem (iPS) cells provides not only new approaches for cell replacement therapy, but also new ways for drug screening. However, the undefined mechanism and relatively low efficiency of reprogramming have limited the application of iPS cells. In an attempt to further optimize the reprogramming condition, we unexpectedly observed that removing c-Myc from the Oct-4, Sox-2, Klf-4, and c-Myc (OSKM) combination greatly enhanced the generation of iPS cells. The iPS cells generated without c-Myc attained salient pluripotent characteristics and were capable of producing full-term mice through tetraploid complementation. We observed that forced expression of c-Myc induced the expression of many genes involved in cell cycle control and a hyperproliferation state of the mouse embryonic fibroblasts during the early stage of reprogramming. This enhanced proliferation of mouse embryonic fibroblasts correlated negatively to the overall reprogramming efficiency. By applying small molecule inhibitors of cell proliferation at the early stage of reprogramming, we were able to improve the efficiency of iPS cell generation mediated by OSKM. Our data demonstrated that the proliferation rate of the somatic cell plays critical roles in reprogramming. Slowing down the proliferation of the original cells might be beneficial to the induction of iPS cells.     

Reprogramming factor stoichiometry influences the epigenetic state and biological properties of induced pluripotent stem cells

We compared two genetically highly defined transgenic systems to identify parameters affecting reprogramming of somatic cells to a pluripotent state. Our results demonstrate that the level and stoichiometry of reprogramming factors during the reprogramming process strongly influence the resulting pluripotency of iPS cells. High expression of Oct4 and Klf4 combined with lower expression of c-Myc and Sox2 produced iPS cells that efficiently generated "all-iPSC mice" by tetraploid (4n) complementation, maintained normal imprinting at the Dlk1-Dio3 locus, and did not create mice with tumors. Loss of imprinting (LOI) at the Dlk1-Dio3 locus did not strictly correlate with reduced pluripotency though the efficiency of generating "all-iPSC mice" was diminished. Our data indicate that stoichiometry of reprogramming factors can influence epigenetic and biological properties of iPS cells. This concept complicates efforts to define a "generic" epigenetic state of iPSCs and ESCs and should be considered when comparing different iPS and ES cell lines.