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胚胎干细胞(Embryonic stem cells)具有无限自我更新和产生三个胚层所有细胞类型的能力,可以为细胞治疗提供几乎无限的细胞来源,同时也能分化形成几乎所有器官的细胞类型,这为组织工程和再生医学描绘了一个美好的前景。在体细胞中外源表达Oct4,Sox2和Klf4等转录因子可以产生诱导多能干细胞(iPSC),诱导多能干细胞的出现为干细胞和再生医学研究带来了新的突破。iPS细胞可以通过导入含重编程因子的质粒、蛋白和RNA等方法诱导产生,但是效率非常低。这种极低的效率已经严重影响了iPS细胞在细胞治疗中的应用前景和重编程分子机制研究。用于iPS细胞诱导的转录因子包括了维持胚胎干细胞发育全能性的核心转录因子Oct4,Sox2和Nanog,为了维持干细胞的无限自我更新和全能性,Oct4,Sox2和Nanog能直接结合到大量全能性相关基因的启动子区域并控制其转录水平,形成了以这些转录因子为核心的基因转录调控网络。它们同时具有转录激活和转录抑制的活性,其调控基因转录的活力可能在经历了长期的进化后达到了平衡。而诱导iPS细胞产生是一个人为的过程,在生物个体的正常发育过程中并不会发生,因此我们推测这些天然转录因子的转录激活能力不足以高效地激活内源全能性基因并重构基因转录调控网络,这也可能是iPS诱导效率低的一个原因。
将Oct4、Sox2和Nanog与单纯疱疹病毒编码蛋白VP16的转录激活结构域融合形成了人工转录因子,这些人工转录因子大幅地提升了诱导小鼠MEF(mouse embryonic fibmblasts)细胞产生iPS细胞的效率并显著加快了体细胞重编程的进程,甚至只需要一个人工转录因子Oct4-VP16就能将MEF细胞诱导为iPS细胞,而且利用非病毒导入一附加体质粒就能从MEF细胞中高效地建立无DNA插入的iPS细胞。用人工转录因子产生的诱导多能干细胞在各方面都与ES细胞类似并且具有发育的全能性。此外人工转录因子同样能提高从人类体细胞诱导产生多能干细胞的效率,产生的人类iPS细胞在体外和体内都能分化为三胚层的细胞。
在人工转录因子促进重编程的机理研究方面,显示将Oct4与转录激活结构域融合都能提高其重编程能力,并且与所融合结构域激活基因转录的活力正相关。此外,发现将对于基因转录激活十分重要的组蛋白乙酰转移酶p300敲除后,从MEF到iPSC的重编程过程没有受到阻碍。
构建的人工转录因子不仅为提高iPS诱导效率提供了全新的思路,还为揭示细胞重编程的分子机制提供了新的研究线索。人工转录因子在细胞谱系转换以及再生医学领域都可能存在着广泛的应用前景。