素材：诱导多能干细胞技术及其应用 高二下学期生物人教版选择性必修3.docx

《素材：诱导多能干细胞技术及其应用 高二下学期生物人教版选择性必修3.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《素材：诱导多能干细胞技术及其应用 高二下学期生物人教版选择性必修3.docx（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、诱导多能干细胞技术及其应用高中生物学选择性必修三简单介绍了ips细胞诱导多能干细胞的成果与应用。近年来，干细胞研究受到越来越多的重视，原因是干细胞具备强大的增殖潜能，经过适当诱导能定向分化为特定的组织或器官，因此在器官移植等临床医学领域具有极为重要的应用价值。胚胎干细胞能被诱导分化为人体几乎所有种类的细胞，可以满足疾病建模、再生医学以及药物开发等方面研究的需要，但是由于胚胎干细胞的胚胎来源，相关研究存在伦理学方面的争议；而多能干细胞虽然具有分化成多种细胞组织的潜能，但是其分化能力有限，例如骨髓多能造血干细胞最多只能分化成十余种血细胞，而不能分化为造血系统以外的其他类型的细胞，且在移植后还会出现

2、免疫排斥现象。上述问题导致干细胞技术在临床医学上的应用一度陷入了尴尬的境地。2006年，日本学者Takahashi和Yamanaka发现，将某些基因，包括控制干细胞多能性和自我更新的相关基因(Oct4)、性别决定区Y框蛋白2基因(Sox2)、原癌基因(cMyc)和表皮锌指因子(相关基因)(Klf4)等，导人小鼠成纤维细胞，能使它们转化成多能干细胞，为干细胞技术研究用细胞的来源开辟了新的途径。为区别于机体本身的多能干细胞，科学家把这种由诱导产生的多能干细胞称为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)。iPSCs技术不仅避免产生胚胎干细胞研究的伦理

3、问题，而且不会发生类似自体多能干细胞分化潜能受限及移植后的免疫排斥等问题。iPSCs技术开启了干细胞治疗的新时代，将造福人类的健康事业。1 iPSCs技术的实施步骤iPSCs发现后旋即吸引了领域内大量科学家投身于其研究，目前已建立起一套较为成熟的iPSCs技术体系，其工作步骤主要包括：受体细胞的选择、诱导因子的筛选及优化、介导载体的选择及优化以及iPSCs的筛选及鉴定。11 受体细胞的选择研究发现，机体内不同组织器官的细胞(如小鼠的B淋巴细胞、神经干细胞、肝细胞、胃表皮细胞，以及人类的纤维细胞、血液细胞、内皮细胞、骨髓细胞等)作为受体细胞，均具有被诱导而发生逆转并形成诱导多能干细胞的潜能，且这

4、种潜能不受细胞类型及其分化阶段的影响。但同时科学家注意到，不同组织、器官来源或不同发育阶段的细胞生成iPSCs的效率和安全性却存在较大差别。例如：胃上皮细胞不具备常见的逆转录病毒整合位点，因此在病毒进入细胞后，其基因组不易被病毒整合；而神经干细胞由于自身高表达内源性的Sox2基因，从而易被诱导重编程，相对来说更合适作为受体细胞。11。由此看来，如果要成功获得iPSCs，受体细胞的筛选至关重要。由于人的血细胞(如T细胞和B细胞等)、脂肪细胞和皮肤成纤维细胞取材方便，且来源广泛，故目前常作为受体细胞用于建立“个体特异的”或“组织特异的”iPSCs。12诱导因子的筛选及优化众所周知，从胚胎干细胞分化

5、为成体细胞的过程会受到许多因子精密而复杂的调控。有研究发现，将胚胎干细胞和已无分化能力的体细胞融合后，体细胞可以被诱导而使其核基因又重启编程能力，因此科学家推测胚胎干细胞中可能存在一些对于成体细胞恢复多能性至关重要的因子。若要将受体细胞去分化使之重新逆转为iPSCs，必须筛选出合适的基因导入受体细胞。于是日本学者Yamanaka最初对胚胎干细胞中被认为与维持其多能性相关的24个候选基因逐一进行了研究，最终发现Oct4、Sox2、cMyc和Klf4四个基因在诱导成体细胞恢复多能性方面起着至关重要的作用。随着研究的深入，不断有新的基因被发现在iPSCs诱导生成中发挥着作用，迄今被认可的这类基因约有

6、10个。目前，科学家主要采用1个或多个基因联合作用于人或动物的各种受体细胞，来寻找诱导生成iPSCs的有效方法。值得注意的是，有些基因会给受体细胞带来负面影响，例如细胞增殖过程中发挥正常生理作用的c-Myc具有潜在的致癌作用，将其作为外源目的基因导入受体细胞后有可能活化而产生肿瘤(有一些带有c-Myc的转基因小鼠会产生肿瘤)，不利于临床应用。因此，出于对安全性等因素的考虑，研究者须对上述基因的选取和组合进行优化。例如，为解决cMyc具潜在致癌作用这一问题，2008年Nakagawa和Wernig仅利用Oct4、Sox2和Klf4三个基因进行试验，成功地将鼠和人成纤维细胞诱导为iPSCs；同年，

7、Kim提出了一种更安全的方法，他仅用Oct4及KV4便成功地使神经干细胞实现逆转。但这两种无cMyc参与的诱导方法尽管具有一定安全性，其效率却相对低得多，为此科学家被迫寻找新的途径，目前已发现在某些特定小分子化合物辅助下，导入更少的外源基因即可高效率获得iPSCs1“，如2008年Huangfu将Oct4和Sox2与组蛋白去乙酰化酶抑制剂组合运用，成功将人成纤维细胞逆转为iPSCs。13 介导载体的选择及优化 大分子外源物质进入细胞通常需要借助物理或生物学方法介导，其中病毒介导即是一种十分有效的生物学手段，但考虑到每种病毒有相对特定的宿主细胞，例如噬菌体可以作为侵染细菌的载体，所以针对来源于不

8、同生物或同种生物不同组织的受体细胞，筛选合适的介导载体对iPSCs技术的成功应用十分重要。在众多载体病毒中，反转录病毒(如鼠肉瘤病毒)的寄主范围广泛，且具有强启动子可使外源基因有效表达，并且转染率高；而慢病毒(如人类免疫缺陷病毒一1)可将携带的外源基因随机地整合人受体细胞的基因组，并实现外源目的基因长期而稳定的表达。所以在iPSCs技术研究的初始阶段，这两种病毒受到青睐，被用作主要的生物载体。但随后，科学家注意到这两类载体可能存在将外源致癌基因整合到受体细胞基因组的风险，因而转而选取腺病毒、质粒以及一种来源于鳞翅目昆虫的DNA型转座子(piggyBac)等更为安全的生物载体。腺病毒基因组及其介

9、导的外源目的基因不会整合入受体细胞的基因组中，故外源目的基因在受体细胞中独立表达，避免了因整合而引发的潜在基因突变和随机效应。据报道，Stadtfeld0。已用腺病毒作为载体成功制备无病毒基因整合的iPSCs，从而大幅提升了iPSCs技术在临床应用中的安全性，但其诱导效率却不尽人意。此后，科学家又利用piggyBac等工具先将外源目的基因整合到受体细胞基因组以诱导生成iPSCs，再用Creloxp重组系统等工具将该外源基因切除，最终获得无外源基因整合的iPSCs，该方法效率较高，但是临床应用方面还有待验证。14 iPSCs的筛选及鉴定同众多人工改造过的其他细胞一样，经上述介导的受体细胞都要经过

10、筛选和鉴定，来验证所需的目的iPSCs，之后还需将目的iPSCs进行增殖培养，以满足临床需要。iPSCs的筛选及鉴定的过程主要包括三步：将介导后的受体细胞进行增殖培养，其主要采用胚胎干细胞专用培养体系，并辅以特定的诱导物质，如丙戊酸(VPA)、组蛋白甲基转移酶G9a抑制剂(BIX一01294)及5一氮杂胞苷(5一AZA)等相应的小分子物质；选择合适的标志物对增殖培养的细胞进行筛选，有助于准确获得iPSCs(例如Fbxi5是胚胎干细胞中特异性表达的一个基因，Yamanaka列就曾将该基因作为筛选iPSCs的标志物，不过Maherali等发现，仅靠形态学特征作为标志物也可以筛选目的iPSCs)；对

11、筛选出的目的iPSCs进行鉴定。强大的自我更新能力和分化潜能是细胞多能性的两个特征，诱导得到的iPSCs是否达到预定目标，往往会以受体细胞来源物种的胚胎干细胞作为参照标准，通过细胞形态、基因表达谱、表观遗传学、畸胎瘤形成和体外分化等方面的对比研究，进行比较鉴定后加以确认。15其他需要注意的方面需要指出的是，像胚胎干细胞分化为成体细胞过程一样，细胞逆转为iPSCs的过程也具有严格的时间和空问上的顺序，是一个缓慢而渐进的过程，期间随着时间的推移，多能性基因逐渐被激活，因此诱导及筛选iPSCs的时间点十分重要。2 iPSCs技术的应用iPSC技术的重要性不仅在于为干细胞研究提供了一个全新的视角，打破

12、了伦理等诸多方面的局限，更在于其在医学及临床方面有着广泛的应用前景。早在2007年，Hanna等。1钊就用iPSCs技术获得的造血前体细胞成功治愈镰状红细胞贫血症；2009年，Soldner等u7。将移除外源基因的人iPSCs成功诱导成多巴胺神经元，为帕金森氏病的治疗做出了重要贡献；同年，xu等用iPSCs技术成功治愈血友病；近年来，iPSCs技术在构建疾病模型、药物开发、再生医学方面同样取得了重要突破。2018年，谢欣等通过化学诱导成体心脏成纤维细胞在体内直接转化成心肌细胞，为进一步优化诱导心脏再生提供了新起点；2019年，Deuse等通过改变主要组织相容性复合体基因(MHC基因)以及细胞表

13、面蛋白CD47基因的活动，实现了将iPSCs移植到具有完全免疫功能的组织后不引起免疫反应；疫情期间，我国学者Lin等研究发现新型冠状病毒的核衣壳蛋白(nCoVN)会破坏iPSCs多能性，为其致病机理研究提供了新的信息。疾病模型在模拟疾病的发生发展、寻找发病机制以及药物研制等研究中均发挥着重要的作用。长期以来，小鼠模型一直是研究人类疾病的重要动物模型，但由于物种间，甚至同物种的不同个体间都存在差异，因此小鼠模型无法完全模拟人类的所有表型。例如，阿尔兹海默症的小鼠模型就存在此类问题，而iPSCs技术将可以对此予以弥补。利用iPSCs技术进行疾病建模的过程包括：从患者体内筛选合适的受体细胞、将其重编

14、程为iPSCs、将其定向诱导分化为某种疾病类型的组织细胞，从而在体外模拟重现病理细胞，以供研究之用。其优势主要在于对个体和特定组织更具针对性。例如，将某位患有I型糖尿病患者的皮肤成纤维细胞重编程为iPSCs，定向分化为与患者疾病一致的特异性p细胞，专门用于该糖尿病患者的疾病发生发展的研究，而研究结果可更准确地反映该患者所患疾病的真实情况。目前，神经系统疾病、心血管疾病、泌尿系统疾病、眼科疾病等许多疾病特异性的iPSCs系已被成功建立，并已开始用于基础研究、药物开发和临床治疗。iPSCs技术在药物开发上的应用主要集中在药物毒性测试方面。此前，许多药物毒性的测试数据来源于包括小鼠等在内的动物实验，存在成本较高、动物伦理及模拟结果与人体真实状况间存在差异等问题，而用iPSCs进行的毒性测试可大幅提高准确度。至于在再生医学领域，iPSCs技术主要应用于定向分化为特定目的细胞，并将其注射(即细胞疗法)到机体特定部位，以达到对疾病进行治疗的目的。2008年，帕金森综合征模型大鼠被移植入iPSCs分化来的神经前体细胞，其多巴胺功能和行为症状都得到了改善，而且几乎没有免疫排斥反应。由此可见，iPSCs技术在该领域应用的明显优势在于可以避免异体移植产生的免疫排斥。学科网（北京）股份有限公司