IPS的发现过程

基本概念干细胞（ｓｔｅｍｃｅｌｌ）:是机体内存在的一类特殊细胞，具有自我更新及多向分化潜能。干细胞根据发生来源可分为:胚胎干细胞和成体干细胞两类。胚胎干细胞（ｅｍｂｒｙｏｎｉｃｓｔｅｍｃｅｌｌＥＳ细胞）是由胚胎内细胞团或原始生殖细胞经体外培养而筛选出的细胞，具有发育全能性，理论上可以诱导分化为机体中２００多种细胞。成体干细胞（ＡｄｕｌｔＳｔｅｍＣｅｌｌ）：是指存在于成体已分化组织中的未分化细胞，这种细胞具有自我更新和多向分化的潜能。基本概念iPS细胞：借助基因导入技术将某些特定因子导入动物或人的体细胞，同时可选择性地在培养液中加入特定的小分子物质，即可将体细胞重编程为多潜能干细胞。此类细胞在克隆形态、生长特性、表面标志物、基因表达模式、表观遗传学特征、拟胚体(embryoidbodies，EBs)形成、畸胎瘤(teratoma)形成和嵌合体(chimeras)形成(针对小鼠)等方面与ES细胞非常相似。ips细胞的应用ips的发现过程2019年诺贝尔生理学与医学奖授予了英国的JohnGurdon爵士和日本的ShinyaYamanaka(山中伸弥)，以表彰他们发现分化的体细胞可以重编程为多能干细胞。Shinya博士后的新课题研究ApoBmRNA的编辑蛋白质ApoBEC1ApoB是低密度脂蛋白的主要构成成分。ApoBmRNA可以被编辑酶ApoBEC1脱氨提前终止翻译，形成两种蛋白质：ApoB100和ApoB48。经编辑后的ApoB48在血浆中会被迅速清除。Thomas预测，在肝脏中过表达ApoBEC1，血脂可能降低。低密度脂蛋白←ApoB←ApoBmRNA→ApoB100、ApoB48↑ApoBEC1↓患肺癌的小鼠（高密度脂蛋白增加）←转基因鼠编辑酶ApoBEC1的致癌机理ApoBEC1（过表达）→Nat1蛋白质消失（ApoBEC1的一个新底物，抑制蛋白质翻译的基因Nat1的表达产物）猜测：Nat1是导致ApoBEC1致癌的重要分子，那么Nat1敲除的小鼠也会长癌。现象:Nat1敲除后，纯合子小鼠在胚胎发育早期死亡，敲除Nat1的胚胎干细胞在体外不能像正常干细胞一样分化。研究怎么从终末分化的成体细胞变回多能干细胞Shinya计划的第一步找到尽可能多的，类似于Nat1参与维持干细胞功能的因子(维持因子的意思是这些因子是胚胎干细胞在体外培养维持多能性所必需的)。通过筛选得到一系列的在胚胎干细胞中特异表达的基因，其中一个基因就是Fbx15。Fbx15除了特异表达于胚胎干细胞中外，还能被另外两个胚胎干细胞维持因子Oct3/4和Sox2直接调控。猜测：Fbx15应该参与维持干细胞多能性和胚胎的发育，无法得到Fbx15敲除的纯合鼠。实验：把小鼠染色体上的Fbx15基因通过同源重组替换成抗G418药物的基因neo现象：Fbx15敲除的纯合鼠活的很happy。意外的收获：Fbx15只在胚胎干细胞中表达，Fbx15启动子操控的抗药基因neo在成体的成纤维细胞里不表达，所以细胞在药物G418处理下会死亡；而敲除鼠里得到的胚胎干细胞却可以在很高浓度的G418中生长。如果成纤维细胞能通过某种因子诱导成多能干细胞，那么它就会产生对G418的抗药性。即便成纤维细胞只是获得了部分胚胎干细胞的特性，那么它也应该能抗低浓度的G418。Fbx15敲除鼠实际上提供了很好的筛选诱导干细胞的系统。诱导干细胞的筛选逆分化成体细胞24转录因子被发现在维持全能性方面有重要作用。这些因子是重编程过程中细胞获得全能性的候选因子；Kazutoshi把表达了24个因子的病毒混合起来同时感染小鼠成纤维细胞，得到G418抗性的阳性细胞；为了进一步确定24种因子中哪些是必需的，在实验中分别去掉其中一种，然后用同样方法诱导，结果发现，只有分别去掉其中4个因子Oct3/4、Sox2、Klf4、c-Myc，才得不到任何阳性克隆。并且用这四种因子的组合能够得到类似于ES的细胞，这种细胞被命名为诱导性多能干细胞（ips细胞）；利用iPS细胞通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，从而证明了iPS细胞的全能性。相关研究方向1.与多功能有关因子的选择随着研究的进展，人们逐渐发现更多能提高多能干细胞诱导效率的各种因子，排除了具有潜在威胁的或者作用不大的因子。如可能会提高肿瘤发生率的c-Myc。也有研究表明使用组蛋白抑制剂，可以利用Oct4，Sox2产生iPS细胞，而不再需要c-Myc，Klf4；而在黑色素瘤细胞的重编程中外源Sox2是非必需。2.介导转录因子表达的载体的选择利用腺病毒载体或脂质体介导外源基因表达从而启动体细胞重编程，可以避免剔除病毒基因组的繁琐工作。另外采用Cre系统以及PB转座子技术从基因组中剔除插入的外源基因可以很好的解决这一问题。3.提高制备iPS细胞的效率影响体细胞重编效率的因素，如靶细胞所处于的发育阶段和引入相关因子的表达强度等均有可能影响iPS细胞的诱导效率。因此深入了解iPS细胞重编程的机制，对于增加其效率，建立稳定iPS细胞系非常重要。4.已经有研究表明细胞在诱导成功后，在随后的一系列发展中有衰老的趋势。与其相一致的结果是体细胞基因经过一系列重排后，细胞内某些蛋白水平会下降，因此需要建议的是获得的长期稳定的细胞体系和细胞永久性很重要，也有建议克服成纤维细胞衰老的可以通过抑制Rb和P53通路或下调端粒酶活性来实现。临床应用进展1.2019年12月，Whutehead研究所Hanna等报道利用取自人类镰状细胞性贫血的模型小鼠尾尖部皮肤的成纤维细胞，通过导入Oct4、Sox2、Klf4及c-Myc基因获得自体iPS细胞，结合基因特异性打靶技术对iPS细胞的人类镰状血红蛋白等位基因进行纠正后，将该iPS细胞诱导为造血干细胞，移植后可治疗动物模型的镰状细胞性贫血。2.美国研究机构使DsRed-iPS细胞分化称为视网膜的前驱细胞，将其移植到经过免疫处理的视网膜变性的小鼠身上，这些细胞形成了包含所有三个胚芽层组织的畸胎瘤，其中也有神经视网膜。在随后的一系列分化诱导后产生了视网膜类型的细胞，后大部分分化细胞表达视网膜先祖细胞（GFAP、GS）和感光细胞(CRX)等细胞标记。3.在耳蜗神经方面的研究Nishimura等人同样利用了iPS细胞研究采用移植的手段修复耳蜗神经元。结果表明iPS细胞可以用来作为一种再生资源来修复和移植受损的耳蜗神经。4.在心血管疾病的研究Nelson等利用诱导潜能干细胞表现出具有向心脏分化的潜能进行了体外的实验，iPS细胞在重新构建的心脏、血管平滑肌、内皮组织内具有了心肌细胞的可恢复收缩性、心室壁厚度和电位稳定性等特征。因此利用了ips细胞有利于修复急性心肌梗塞等疾病。而Zhang推论iPS细胞和ES细胞同样有向心肌细胞分化的功能，而iPS细胞作为自体细胞对心脏修补细胞是一个更可靠来源。5.在脑神经方面的研究2019年4月，该研究所的Wernig等对已建立的小鼠iPS细胞进行体外诱导培养，可以将其诱导分化为神经前体细胞和多巴胺能神经元；在动物实验中，将绿色荧光蛋白标记的iPS细胞注入胚胎小鼠的侧脑室，发现细胞可迁移至脑膜、纹状体、下丘脑、中脑等区域，分化成神经胶质细胞和神经元，并参与电生理活动，而在帕金森病小鼠模型中，iPS来源的多巴胺能神经元使模型小鼠运动功能得到显著改善。6.对于糖尿病治疗的研究KeisukeTateishi成功的使用成纤维细胞诱导iPS细胞成功的培养出分泌胰岛素的胰岛细胞。证明了人类胚胎干细胞和iPS细胞同样具有分化成胰岛细胞和胰腺内层的潜能，也可能会提供一个iPS细胞治疗糖尿病的未来。综上所述，iPS细胞的建立及其相关研究进展令人兴奋，相关的机制和应用研究为无名展示了干细胞与再生医学的一个全新领域，但这项技术真正用于疾病的干细胞治疗还有相当长的路要走，如何提高iPS细胞生成的效率、解决其临床应用的安全性、重编程过程中转录因子的调控机制等问题还需进一步深入研究。总结