低氧、表观遗传学及细胞周期对重编程效率的影响

师淑君，郭春丽，张玉根

（青岛黄海学院护理学院，山东 青岛 266000）

・综 述・

低氧、表观遗传学及细胞周期对重编程效率的影响

师淑君，郭春丽，张玉根

（青岛黄海学院护理学院，山东 青岛 266000）

在体细胞内导入转录因子可诱发体细胞表观基因改变，从而使细胞的性质发生改变，该过程称为细胞重编程。低氧微环境可以诱导核心转录因子的激活，启动细胞重编程的过程，并引起细胞内多种基因的转录和表达发生变化。表观遗传水平的调控机制在细胞重编程过程中也起到了至关重要的作用，DNA 甲基化是基因组主要的表观遗传修饰方式之一，并且DNA甲基化与细胞周期之间也有密切关系，适当的加快细胞周期的速度可以显著提高细胞重编程的效率。低氧微环境、表观遗传学及细胞周期与体细胞重编程之间存在怎样的相互联系与影响，本文对其进行了综述。

细胞重编程；低氧微环境；表观遗传学；细胞周期

1 概 述

特定的转录因子组合可以使一种类型的体细胞直接重编程为另一种类型的体细胞，这两种细胞可以来自不同的胚层。直接重编程的过程中不经过产生前体细胞阶段，也可以不经过细胞分裂，比诱导多能干细胞（iPSc）重编程的过程更迅速。研究证明低氧微环境可以提高iPSc的生成效率，激活核心转录因子，启动重编程过程，促使体细胞去分化成为未分化的干细胞[1]。适宜的低氧环境可以调控细胞的增殖和分化，细胞增殖受细胞周期的调控，在细胞周期内G1-S期及G2-M期对细胞的增殖影响最大，这两个阶段的细胞处于活跃的分子水平变化阶段， 很容易受外界环境的影响，如果能够进行人为干预，将对深入了解生物的生长发育，控制肿瘤生长等有重要意义。表观遗传对干细胞多能性的维持有关键作用，重编程过程中体细胞内的基因组甲基化模式会发生改变，甲基化模式的改变能够影响细胞重编程的进程。研究细胞直接重编程可以为临床细胞治疗提供了一个新的方法。

2 重编程与低氧微环境

细胞内的微环境受多种因素的控制，如温度和氧张力，对细胞功能和分化有很大影响，从而调节细胞的自我更新和分化。研究证实，氧张力降低能够刺激细胞的自我更新。哺乳动物胚胎发育过程中，外胚层存在一个生理上的低氧环境，低氧可以提高神经干细胞和造血干细胞的存活率。Yamanaka 等人发现低氧微环境作为一个刺激源可以使干细胞聚集，实验中，将培养成纤维细胞的氧浓度降低到2%～5%可大幅度提高iPS的生成效率。Wang等人[2]通过研究证明适宜的低氧微环境可以提高小鼠皮肤成纤维细胞直接重编程为心肌细胞的效率，诱导的心肌细胞可表达心肌特异蛋白，与对照组相比，2%低氧微环境下诱导的心肌细胞表达量更高。适宜的低氧还可以最大限度的减少氧化引起的细胞损伤。临床上，低氧可以引起多种病理变化，但也会使体细胞内多种基因的转录和表达发生变化，这些基因产生的生物活性蛋白，可使细胞更好的适应低氧环境，有利于细胞的生存[3]。

细胞重编程过程中，会关闭原本的需氧型葡萄糖代谢通路，转而使用不需氧的糖酵解。研究癌组织的科学家发现癌细胞与干细胞在许多方面都很类似，当正常细胞转变为癌细胞时，也会通过糖酵解获取能量。华盛顿大学的科学家们[4]研究证实低氧诱导因子能够影响大量基因的调控，从而显著改变细胞的行为。低氧条件还可以激活成纤维细胞中 Oct4 的表达，其表达趋势与低氧诱导因子的表达趋势是一致的[5]，OCT4是重编程过程中形成多能性细胞不可或缺的一种基因，低氧微环境可提高重编程的效率是否与OCT4 的表达有关还有待进一步研究。

3 重编程与表观遗传学

Reik等人提出个体生长发育的过程实际上就是表观遗传学发挥作用的过 程。在干细胞阶段，表观遗传调控了一系列与细胞分化和发育成熟相关的基因，发育过程中细胞的分化通常是单向的、不可逆的，但是这个过程可以被重新编程而发生改变。基因表达受到两类蛋白的共同控制：转录因子和表观遗传调控因子。转录因子可以直接结合到DNA 上发挥作用，而表观遗传调控因子却以各种方式来影响基因的表达。Doege 等发现了两种表观遗传调控因子，Parp1 和 Tet2 刺激了成纤维细胞内处于静止状态的多能基因的表达，由此启动了这些细胞重编程为 iPSCs。内源性Parp1和Tet2都是重编程的必要条件，如果任何一个被消除，iPSC形成就会完全失败。这一发现表明重编程转录因子直至与内源性表观遗传调控因子协同作用，才能有效地结合和唤醒它们的靶基因。

DNA甲基化是表观遗传学研究的重要内容，要让体细胞重新恢复到未分化的状态需要解决的一个重要难题就是DNA甲基化的问题。Mikuelsen等人在研究重编程机制时发现， 影响细胞重编程效率的主要原因是细胞重编程过程中与分化相关的转录因子的抑制是否完全；DNA的去甲基化是否完全。通过沉默特定的转录因子或者使用 DNA 甲基转移酶抑制剂影响表观遗传学改变，都可以有效提高细胞重编程的效率。

4 重编程与细胞周期

细胞的分裂增殖离不开细胞周期的运作，在这一过程中，细胞会复制其遗传物质并均等地分配给两个子细胞。研究发现利用血清饥饿的方法使细胞周期同步化可以有效提高重编程的效率。众所周知，低氧微环境可以影响细胞周期，促进或抑制多种细胞的增殖，影响基因的表达，低氧条件下细胞重编程效率得到提高的机制是否与细胞周期受到影响有关，目前并没有相关研究。

细胞周期是表观遗传重编程至多潜能的关键参数，细胞周期快速增值率是重编程过程中的早期事件，加速细胞分裂能扩增靶细胞的转录因子，这样每个子代细胞都能获得转变成多潜能细胞的可能性，胚胎细胞的细胞周期运行速度很快，在一些成熟的体细胞中细胞周期的速度比较慢，而在神经元这样的永久细胞中细胞周期几乎完全不运行，处在生长发育中的细胞如果细胞周期停滞，就会导致细胞的死亡，如果成熟细胞中细胞周期不能正常运行，则会产生肿瘤。2014 年耶鲁大学医学院的研究人员确定了细胞周期与细胞重编程之间也有密切联系，细胞周期的速度是将细胞逆转多能状态的主要障碍。当细胞周期加速到一定程度时，细胞很容易被改变成为多能细胞。

5 结语与展望

激活内源多潜能性相关基因和表观遗传改变是完成重编程的重要标志[6]。高度甲基化的细胞很难实现重新编程，因此DNA 去甲基化可以提高重编程的效率。低氧微环境作为一个影响机体生长、发育的重要外界因素，可以影响细胞周期，同时促进细胞 DNA 去甲基化，有效提高重编程的效率。表观遗传的改变基于细胞周期内各基因表达的变化，鉴于表观遗传机制在重编程过程中的关键作用，我们需要更加深入的研究影响表观遗传修饰的内在和外在因素，确定哪些转录调节在表观遗传学上是稳定的，帮助我们更好的理解重编程过程的发生机制，从而为临床细胞治疗应用提供理论依据。

[1] 彭正军,刘 路,凌均棨.细胞重编程及其影响因素.国际口腔医学杂志.2014;41(3):300-303.

[2] WangY,Shi S,Liu H,et al.Hypoxia enhances direct reprogramming of mouse fibroblasts to cardiomyocyte-like cells. Cell reprogramming, 2016; 18(1):1-7.

[3] 师淑君,刘慧雯.低氧诱导因子-1对机体氧分压水平调节的研究进展.解剖科学进展.2013,19(5):451-453,457.

[4] Mathieu J,Zhou W,Xing Y,et al. Hypoxia-inducible factors have distinct and stage-specifc roles during reprogramming of human cells to pluripotency. Cell Stem Cell.2014;14(5):592-605.

[5] 师淑君,王艳艳,刘慧雯.低氧微环境对小鼠皮肤成纤维细胞 HIF-1、Oct4、Uhrf1表达的影响.解剖科学进展.2015;21(6):569-572.

[6] Jun C,Wei GY,Yu CJ,et al.Remodeling of Epigenetic Landscape During Induced Somatic Cell Reprogramming[J].Progress in Biochemistry and Biophysics,2015;42(11): 1054-1062.

本文编辑：李 豆

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ISSN.2095-8242.2017.05.973.02