干細胞研究中系統生物學的作用

呂廣秀 張軍紅 高國宇

（上海解放軍第八五醫院分院，上海 200235）

干細胞研究中系統生物學的作用

呂廣秀 張軍紅 高國宇

（上海解放軍第八五醫院分院，上海 200235）

干細胞；生物學

干細胞應用臨床的轉化研究正在全世界興起，由于其生物學的特性涉及分化和自我繁殖的復雜性，在此研究中涉及系統生物學已近十年[1,2]。人們已將研究中的過程時間編制成動態網絡。干細胞的發育過程受影響于內外的不同信息，這些信息能構成一個完整的生物學系統模型。目前正在用數學模式研究基因表達方式和蛋白組合的分析逐步表達干細胞的生物學特性[3]。

1 系統生物學在研究胚胎干細胞中的作用

在2003年至2006年的期間，Chambers等用cDNA文序篩選法將幾萬基因和經典因子Oct4關聯起來[4]。Mathur等協作利用芯片雜交技術，從Oct4出發，發現了干細胞自我分化的核心調控回路。他們利用chIP-PET技術找到了多個整合數據的方法[5]，用系統的方法可用于干細胞的遺傳研究。Bernstein用chIP技術，將組蛋白拼回基因組，使人們對干細胞的遺傳機制的調控更加清晰[6]。Wang等得到的以NANOG為核心的蛋白蛋白相互連接作用網絡也說明了系統生物學的存在與重要[7]。Muller等用另一種方法重整基因表達譜和蛋白互相作用的數據[8]，擴展了干細胞調控的網絡范圍。從胚胎干細胞、成體干細胞和終末體細胞的表達譜中找出特異高表達的基因組，并標出各基因組的功能，即可完成胚胎干細胞的功能網絡，并從中發現更多的不為人知的奧密。今后，可在胚胎干細胞調控網絡上與多種信號進行對接，找出信息對網絡調控的影響，為再生醫學與組織工程奠定基礎。

2 系統生物學在誘導多功能干細胞的研究中作用

為區分多功能干細胞與胚胎干細胞，可利用高通量技術比較兩種細胞的聚類圖以示區分二者[9]。Hanna等利用系統方法整合許多基因組，并加以分析，并根據表達譜區分出了不同的多功能干細胞，這些數據的統計分析顯示出了數學模型應用在干細胞領域的前景[10]，并通過對多功能干細胞生長速度的分析，找出了細胞分裂次數和細胞內部系數間的積與干細胞重編積發生概率的分布成指數關系，再次證明數學模型應用的廣泛前景。

3 系統生物學在研究腫瘤干細胞特性上的作用

干細胞分化和增值存在密切關系[11]，伴隨細胞分化程度的增加，細胞的復制能力也有規律地降低下來[12]，打破了二者之間的關系，細胞則可能成為異常的腫瘤干細胞[13,14]。Segal等人報道用模塊分析法對22種不同的腫瘤制作的1975張芯片上有功能標釋的基因組比較，建立起特定病理條件下的模塊，也是一種整合表達量和現有功能數據庫方法的分析方法[15]。用此分析法可構建胚胎干細胞、成體干細胞和腫瘤細胞的模塊圖，并能發現干細胞和腫瘤細胞之間共享的“干性”基因模塊。Ben-Porath等人報告用此方法發現腫瘤細胞分化程度越低，其基因表達特性就越類似于胚胎干細胞[16]。此結果證明了腫瘤細胞與干細胞之間基因表達譜上的密切關系，也說明腫瘤的形成不一定需要腫瘤干細胞。但是，上述基因模塊的研究用的是已知數據，或是用假設設計的主觀數據，很難找到新的基因模塊。該分析方法考慮基因間的相互關系和相同基因可能存在不享有相同的機制，要多引入無偏差的相互作用數據，引入新的計算基因相互作用關系的方法，構建廣闊的網絡模型將有助于這一領域的研究。系統生物學能幫助人們認識腫瘤的異常分子網絡，及細胞與細胞間的相互關系，以及外界環境與腫瘤之間的關系，對這些關系網絡加以整合，可對攻擊癌癥有重大作用。

總之，醫學發展已進入多學科協作的時代，系統生物學已用于生命科學研究近十年的歷史，已在多個領域獲得了突破。本文對干細胞領域應用數學模型分析進行回顧，反映出了系統生物學在該領域研究的實用性與重要性，以此引起人們對系統生物學的重視。

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1671-8194（2011）13-0341-02