细胞重编程的研究进展

夏文明

细胞重编程指在特定的条件下，分化细胞被逆转并恢复到全能性状态、形成胚胎干细胞系，或进一步发育成新个体的过程。2008年，《Science》杂志评出的十大科学进展中，细胞重编程名列第一。我国也在“十一五”期间启动“细胞编程和重编程的表观遗传机制”的重大研究计划。

当受精卵发育成为成熟的个体时，特定类型的细胞是沿“单行道”的形式分化。随着发育的进行，这些细胞会逐渐丧失可塑性，不可逆的成为某一特定类型的细胞。例如，一个皮肤细胞不会自然而然的转变成一个肝细胞，而小肠细胞也不会发育为脑细胞。然而，利用细胞重编程技术就可使不同类型细胞之间的转换成为可能。介导细胞重编程的方法主要有4种，分别为体细胞核移植、细胞融合、特定因子转导及体外培养筛选等。目前，科学家们通过前三种方法均成功获得了多能性干细胞系，并通过核移植技术培育出了克隆动物;而利用体外培养筛选技术只在精原干细胞中获得成功，具体机制尚待进一步探讨。细胞重编程有着非常广泛的应用前景，不仅在基础理论研究中，而且在应用研究中，例如家畜繁殖、动物保护以及人口健康等领域都有着重要作用。值得关注的是，细胞重编程可能为避免异体移植产生的免疫排斥反应提供理论及技术支持。

1.体细胞核移植 是指将体细胞核移入去核卵母细胞中构成重组胚，并在代孕母亲的体内重新形成与供体核遗传物质完全一致的新个体（不包括线粒体 DNA）的一门技术。早在20世纪50年代，科学家就成功将囊胚期细胞核移植到去核的豹纹蛙的卵母细胞内;1997年，多莉羊的诞生说明末端分化细胞表观遗传状态的不可逆改变对正常发育来说并不是必须的，也就是说虽然体细胞具有稳定且不可逆的特性，但在胚胎的状态下仍可被重编程，并有能力直接发育为新的个体。2002年，研究同样证实终末分化的细胞对核多能性的无限制性，只是分化程度与效率成反比。

目前，科学家们已着手采用体细胞核移植技术保存濒危物种及特种动物的基因型，并扩展到转基因、基因敲除等多个领域。研究表明，体细胞核移植技术在牛、羊、猪等多个物种上均成功获得了克隆后代，但克隆效率极低，且大多存在一系列的综合症，与供体核不完全重编程有很大关系。核完全重编程的表现为供体核基因发生表观遗传学的改变，并指导重构胚正常发育直至足月出生。体细胞核移植技术除用于胚胎克隆外，还可用于胚胎干细胞系的建立。由于建立起的胚胎干细胞系来源于供体核，除线粒体DNA 外，遗传背景基本与供体细胞一致，这就为今后的临床治疗提供了更为便捷的途径。相信在不久的将来，免疫排斥等医学难题将不再是人类疾病的克星，更多的人们将能够获得更加及时、有效的救治。

2.细胞融合 1976年，胸腺细胞与胚胎癌细胞进行融合，获得了可以表现分化多能性的体细胞;随后，小鼠胚胎干细胞与体细胞相融合，也获得了同样具有多能性的干细胞，克隆胚胎在体内外发育无显著差别，细胞融合法成为克隆小鼠的可行方法。但细胞融合存在着重大缺陷，重编程后的多能干细胞是四倍体，且融合率很低，移植后有排斥反应的发生。2007年，有研究报道指出采用措施可以选择性的将融合细胞中染色体去除，且不影响融合细胞的多能性，但去除率尚不清楚，具体机制尚待进一步的研究。

3.特定转录因子诱导重编程 2006年，体细胞重编程领域取得了突破性的进展，科学家找到了体外“直接重编程”体细胞的方法。科学家利用反转录病毒载体将4个转录因子（Oct-4、Sox2、C-myc 和Klf4）导入小鼠皮肤成纤维细胞中，获得了具有类似胚胎干细胞的多能性细胞—诱导多能干细胞。研究证明，诱导多能干细胞与胚胎干细胞非常相似。随后，科学家利用不同的体外诱导方法将人体皮肤细胞成功诱导生成诱导多能干细胞。自此，诱导多能干细胞技术获得了广泛关注。运用诱导多能干细胞技术建立患者体细胞来源的患者特异性诱导多能干细胞系，大大促进了干细胞技术在再生医学上的广泛应用。研究发现，成熟的B细胞需要过表达骨髓细胞特异转录因子C/EBPa，或抑制B细胞特异转录因子Pax5，才能重编程为诱导多能干细胞。这说明虽然所有细胞都具有通过重编程形成诱导多能干细胞的潜力，但细胞类型及分化状态对重编程的影响同样很大。

4.表观遗传修饰与重编程 早在1939年，Waddington于《现代遗传学导论》中首先提出了“表观遗传学”一词，认为表观遗传学是遗传学领域中探讨基因型与表型间相互关系的新的研究方向。随着对表观遗传学进一步认识，科学家们做出了“表观遗传是没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达的改变”这一系统论断。目前，对表观遗传的研究主要着重DNA甲基化、组蛋白乙酰化、X染色体失活、基因印迹等几个方面。通过DNA甲基化使具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状态，在不改变 DNA分子一级结构的情况下调节基因功能。在基因组中，DNA甲基化程度越高，DNA被转录成RNA并翻译成蛋白质的可能性越小。组蛋白修饰主要包括组蛋白乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化及蛋白质构象改变和染色质重塑等几个方面，其中组蛋白乙酰化和甲基化修饰尤为重要，且相互抑制。一般来说，组蛋白乙酰化修饰是暂时的，能选择性地使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，为某些基因的转录提供前提，增强其表达水平;而组蛋白甲基化修饰比较稳固，特别是三甲基化修饰。通常认为，组蛋白甲基化使染色质失活，而乙酰化使染色质活化。组蛋白已不再是简单的DNA包装蛋白，也是基因活性动态调控因子。X染色体失活是指雌性哺乳动物胚胎发育早期的两条X染色体之一丧失遗传性状表达功能，属于与性别相关的基因调控。在哺乳动物中，由于性别差异，雌雄个体细胞中的X染色体数目不同，为平衡不同X染色体数目细胞中X连锁基因的表达量，生物体在进化过程中引入了剂量补偿机制。剂量补偿作用是通过雌性胚胎一条X染色体的失活和异染化获得。基因组印迹是表观遗传学上又一重要的修饰方法，来源于亲本的等位基因不对称修饰后导致单等位基因的表达。印迹基因在哺乳动物配子中优先表达，基因印记的完整性是原始生殖细胞的细胞核具有全能性的重要前提，同时也是配子成熟过程的必需步骤。

5.不同细胞周期对重编程的影响 正常的细胞周期分为细胞间期和有丝分裂期两大阶段。其中，细胞间期以DNA合成为标志，又可分为G0期（静止期），G1期（DNA合成前期），S期（DNA合成期）和G2期（合成其他必需物质）。细胞周期的内源性调控主要是通过“Cyclins-CDKs-CKIs”调控网络来实现。其中CDKs（细胞周期蛋白依赖性激酶）为该调控网络的核心，Cyclins（细胞周期蛋白）对CDKs具有正性调控作用，而CKIs（细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子）具有负性调控作用。Cyclins-CDKs-CKIs调控网络必须在一系列称为检验点的严格检控下调控细胞周期运行。这些检验点分别为 G1/S检验点、S期检验点、G2/M检验点、纺锤体组装检验点。研究表明，生长因子、环核苷酸类、某些离子等都可诱发细胞从G1期进入S期，使DNA开始复制。在S期，细胞内脱氧核糖核苷三磷酸和DNA聚合酶活性达到高峰。当DNA发生损伤、复制不完全或纺锤体形成不正常时，细胞周期将被阻断。

1992年的研究结果显示，在卵母细胞或卵裂球的M期进行核移植可诱导重编程的发生，而在细胞间期却不行，或是成功率很低。2004年，有人提出影响重编程的因素可能位于细胞质而不是细胞核，提示细胞质中可能存在某些特定物质影响重编程的发生，且这些物质随着细胞周期而周期性复活与消失。也有学者认为，在细胞间期，影响重编程因子可能浓聚于细胞核附近，去核时容易随核移出，不利于供体核重编程的发生;而在M期，重编程因子广泛弥散于细胞质中，去核时并不会过多的带走，有利于供体核重编程。