細胞重編程的研究進展

夏文明

細胞重編程指在特定的條件下，分化細胞被逆轉并恢復到全能性狀態、形成胚胎干細胞系，或進一步發育成新個體的過程。2008年，《Science》雜志評出的十大科學進展中，細胞重編程名列第一。我國也在“十一五”期間啟動“細胞編程和重編程的表觀遺傳機制”的重大研究計劃。

當受精卵發育成為成熟的個體時，特定類型的細胞是沿“單行道”的形式分化。隨著發育的進行，這些細胞會逐漸喪失可塑性，不可逆的成為某一特定類型的細胞。例如，一個皮膚細胞不會自然而然的轉變成一個肝細胞，而小腸細胞也不會發育為腦細胞。然而，利用細胞重編程技術就可使不同類型細胞之間的轉換成為可能。介導細胞重編程的方法主要有4種，分別為體細胞核移植、細胞融合、特定因子轉導及體外培養篩選等。目前，科學家們通過前三種方法均成功獲得了多能性干細胞系，并通過核移植技術培育出了克隆動物;而利用體外培養篩選技術只在精原干細胞中獲得成功，具體機制尚待進一步探討。細胞重編程有著非常廣泛的應用前景，不僅在基礎理論研究中，而且在應用研究中，例如家畜繁殖、動物保護以及人口健康等領域都有著重要作用。值得關注的是，細胞重編程可能為避免異體移植產生的免疫排斥反應提供理論及技術支持。

1.體細胞核移植 是指將體細胞核移入去核卵母細胞中構成重組胚，并在代孕母親的體內重新形成與供體核遺傳物質完全一致的新個體（不包括線粒體 DNA）的一門技術。早在20世紀50年代，科學家就成功將囊胚期細胞核移植到去核的豹紋蛙的卵母細胞內;1997年，多莉羊的誕生說明末端分化細胞表觀遺傳狀態的不可逆改變對正常發育來說并不是必須的，也就是說雖然體細胞具有穩定且不可逆的特性，但在胚胎的狀態下仍可被重編程，并有能力直接發育為新的個體。2002年，研究同樣證實終末分化的細胞對核多能性的無限制性，只是分化程度與效率成反比。

目前，科學家們已著手采用體細胞核移植技術保存瀕危物種及特種動物的基因型，并擴展到轉基因、基因敲除等多個領域。研究表明，體細胞核移植技術在牛、羊、豬等多個物種上均成功獲得了克隆后代，但克隆效率極低，且大多存在一系列的綜合癥，與供體核不完全重編程有很大關系。核完全重編程的表現為供體核基因發生表觀遺傳學的改變，并指導重構胚正常發育直至足月出生。體細胞核移植技術除用于胚胎克隆外，還可用于胚胎干細胞系的建立。由于建立起的胚胎干細胞系來源于供體核，除線粒體DNA 外，遺傳背景基本與供體細胞一致，這就為今后的臨床治療提供了更為便捷的途徑。相信在不久的將來，免疫排斥等醫學難題將不再是人類疾病的克星，更多的人們將能夠獲得更加及時、有效的救治。

2.細胞融合 1976年，胸腺細胞與胚胎癌細胞進行融合，獲得了可以表現分化多能性的體細胞;隨后，小鼠胚胎干細胞與體細胞相融合，也獲得了同樣具有多能性的干細胞，克隆胚胎在體內外發育無顯著差別，細胞融合法成為克隆小鼠的可行方法。但細胞融合存在著重大缺陷，重編程后的多能干細胞是四倍體，且融合率很低，移植后有排斥反應的發生。2007年，有研究報道指出采用措施可以選擇性的將融合細胞中染色體去除，且不影響融合細胞的多能性，但去除率尚不清楚，具體機制尚待進一步的研究。

3.特定轉錄因子誘導重編程 2006年，體細胞重編程領域取得了突破性的進展，科學家找到了體外“直接重編程”體細胞的方法。科學家利用反轉錄病毒載體將4個轉錄因子（Oct-4、Sox2、C-myc 和Klf4）導入小鼠皮膚成纖維細胞中，獲得了具有類似胚胎干細胞的多能性細胞—誘導多能干細胞。研究證明，誘導多能干細胞與胚胎干細胞非常相似。隨后，科學家利用不同的體外誘導方法將人體皮膚細胞成功誘導生成誘導多能干細胞。自此，誘導多能干細胞技術獲得了廣泛關注。運用誘導多能干細胞技術建立患者體細胞來源的患者特異性誘導多能干細胞系，大大促進了干細胞技術在再生醫學上的廣泛應用。研究發現，成熟的B細胞需要過表達骨髓細胞特異轉錄因子C/EBPa，或抑制B細胞特異轉錄因子Pax5，才能重編程為誘導多能干細胞。這說明雖然所有細胞都具有通過重編程形成誘導多能干細胞的潛力，但細胞類型及分化狀態對重編程的影響同樣很大。

4.表觀遺傳修飾與重編程 早在1939年，Waddington于《現代遺傳學導論》中首先提出了“表觀遺傳學”一詞，認為表觀遺傳學是遺傳學領域中探討基因型與表型間相互關系的新的研究方向。隨著對表觀遺傳學進一步認識，科學家們做出了“表觀遺傳是沒有DNA序列變化的、可遺傳的基因表達的改變”這一系統論斷。目前，對表觀遺傳的研究主要著重DNA甲基化、組蛋白乙酰化、X染色體失活、基因印跡等幾個方面。通過DNA甲基化使具有相同序列的等位基因處于不同的修飾狀態，在不改變 DNA分子一級結構的情況下調節基因功能。在基因組中，DNA甲基化程度越高，DNA被轉錄成RNA并翻譯成蛋白質的可能性越小。組蛋白修飾主要包括組蛋白乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化及蛋白質構象改變和染色質重塑等幾個方面，其中組蛋白乙酰化和甲基化修飾尤為重要，且相互抑制。一般來說，組蛋白乙酰化修飾是暫時的，能選擇性地使某些染色質區域的結構從緊密變得松散，為某些基因的轉錄提供前提，增強其表達水平;而組蛋白甲基化修飾比較穩固，特別是三甲基化修飾。通常認為，組蛋白甲基化使染色質失活，而乙酰化使染色質活化。組蛋白已不再是簡單的DNA包裝蛋白，也是基因活性動態調控因子。X染色體失活是指雌性哺乳動物胚胎發育早期的兩條X染色體之一喪失遺傳性狀表達功能，屬于與性別相關的基因調控。在哺乳動物中，由于性別差異，雌雄個體細胞中的X染色體數目不同，為平衡不同X染色體數目細胞中X連鎖基因的表達量，生物體在進化過程中引入了劑量補償機制。劑量補償作用是通過雌性胚胎一條X染色體的失活和異染化獲得。基因組印跡是表觀遺傳學上又一重要的修飾方法，來源于親本的等位基因不對稱修飾后導致單等位基因的表達。印跡基因在哺乳動物配子中優先表達，基因印記的完整性是原始生殖細胞的細胞核具有全能性的重要前提，同時也是配子成熟過程的必需步驟。

5.不同細胞周期對重編程的影響 正常的細胞周期分為細胞間期和有絲分裂期兩大階段。其中，細胞間期以DNA合成為標志，又可分為G0期（靜止期），G1期（DNA合成前期），S期（DNA合成期）和G2期（合成其他必需物質）。細胞周期的內源性調控主要是通過“Cyclins-CDKs-CKIs”調控網絡來實現。其中CDKs（細胞周期蛋白依賴性激酶）為該調控網絡的核心，Cyclins（細胞周期蛋白）對CDKs具有正性調控作用，而CKIs（細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子）具有負性調控作用。Cyclins-CDKs-CKIs調控網絡必須在一系列稱為檢驗點的嚴格檢控下調控細胞周期運行。這些檢驗點分別為 G1/S檢驗點、S期檢驗點、G2/M檢驗點、紡錘體組裝檢驗點。研究表明，生長因子、環核苷酸類、某些離子等都可誘發細胞從G1期進入S期，使DNA開始復制。在S期，細胞內脫氧核糖核苷三磷酸和DNA聚合酶活性達到高峰。當DNA發生損傷、復制不完全或紡錘體形成不正常時，細胞周期將被阻斷。

1992年的研究結果顯示，在卵母細胞或卵裂球的M期進行核移植可誘導重編程的發生，而在細胞間期卻不行，或是成功率很低。2004年，有人提出影響重編程的因素可能位于細胞質而不是細胞核，提示細胞質中可能存在某些特定物質影響重編程的發生，且這些物質隨著細胞周期而周期性復活與消失。也有學者認為，在細胞間期，影響重編程因子可能濃聚于細胞核附近，去核時容易隨核移出，不利于供體核重編程的發生;而在M期，重編程因子廣泛彌散于細胞質中，去核時并不會過多的帶走，有利于供體核重編程。