诱导性多功能干细胞（iPS）的研究进步是生命科学发展的重要里程碑

两个小组在本期Nature上报告了一项合作研究工作，这项工作成功地在没有使用病毒载体的情况下使人体细胞产生了多能性。研究人员利用来自病毒的2A肽序列生成一种结合重新编程因子的“多顺反子载体”（multicistronic vector），该载体被piggyBac转位子载体送入细胞中，从而在人及小鼠成纤维细胞中都生成了稳定的iPS细胞。然后，与2A结合在一起的重新编程因子（在已经生成的iPS细胞系中是不需要的）被除去。

Nature 458, 766-770 (9 April 2009) | doi:10.1038/nature07863

piggyBac transposition reprograms fibroblasts to induced pluripotent stem cells

3月27日的《科学》杂志报道说，研究人员已经研发出了一种创制诱导人类多能干细胞（或称iPS细胞）的方法，在这些细胞中不含外来且可能有害的DNA。 这些发现对在基础生物学研究中所使用的细胞来说是重要的，而且也是人们向生产iPS细胞这一目标迈出的关键性的一步。

这些iPS细胞可用于医疗但却没有添加到细胞中用来重新设定细胞程序的那些物质所带来的危险。这些添加的物质可能会干扰细胞的正常发育。 在研究人员首次对胎儿和成人细胞进行重新编程并使其成为iPS细胞的时候，他们是用基因工程病毒将数个关键性的基因插入到细胞核内，并通过它们来开启重新编程的过程。年轻华裔科学家俞君英为此项研究的并列通讯作者。

俞君英及其同僚现在介绍了另外一种方法。 他们将基因添加到被称作质粒的DNA环中，而这些质粒通常存在于细胞的染色体之外。 接着，研究人员用一种叫做核转染的方法将这些质粒介入到人包皮细胞中。 在质粒中的基因所表达的蛋白质会将细胞重新编程并使其成为iPS细胞。 这些iPS细胞在接着的几轮细胞分裂中会开始失去这些质粒，这样研究人员就可以分离出不含质粒的细胞。 在文章中，作者们提到，其它的研究团队最近也报告了具有同样目标的实验方法，但是这些作者说，他们的方法才是目前唯一的显示能够产生完全不含载体和转基因序列的人类iPS细胞的方法。

Science March 26, 2009 DOI: 10.1126/science.1172482

Human Induced Pluripotent Stem Cells Free of Vector and Transgene Sequences

戴建武实验室在OCT4基因通过mRNA的选择性拼接形成OCT4A和OCT4B两种mRNA的基础上，首次发现了OCT4B mRNA存在选择性起始翻译现象，以两个AUG和一个CUG作为起始密码子翻译表达出OCT4B-265、OCT4B-190和OCT4B-164三种不同的蛋白异构。确认了其mRNA上存在内部核糖体插入位点（IRES）进行选择性起始翻译的调控。并发现该IRES调控元件在应激条件下的活性相对增强，由IRES调控翻译的内源OCT4B-190蛋白在应激条件下表达上调，过表达OCT4B-190蛋白能够增强细胞在应激条件下抵抗凋亡的能力。

这项研究表明OCT4基因在干细胞的增殖、分化、应激反应、凋亡过程等多个生物学过程中发挥着重要的作用。该研究对于了解OCT4基因蛋白质种类的多样性及功能的复杂性具有重要的参考价值。作为国家中长期重大科研计划“调控干细胞自我更新的分子网络研究”项目的首席科学家，戴建武研究员表示“这项工作为研究干细胞自我更新分子网络的调控开辟了新的途径”。该发现以该实验室博士研究生王霞为第一作者发表在《干细胞》（Stem Cells） 上。

Stem Cells，doi: 10.1002/stem.58，Xia Wang ，Jianwu Dai

Alternative Translation of OCT4 by an Internal Ribosome Entry Site and its Novel Function in Stress Response

将人类皮肤细胞转化为诱导多功能干细胞需要植入相关基因，而这些外来基因有致癌等风险。美国科学家在最新一期《细胞》杂志上发表研究报告说，他们在上述转化完成后，首次成功地从所获得的诱导多功能干细胞中移除这些基因，且保证其基本功能不受影响。

这项研究是美国白头生物医学研究所等机构的科学家完成的。他们利用病毒将“c－Myc”等4个基因植入人类皮肤细胞，将其转化为诱导多功能干细胞。与此同时，他们使用一种基因编码技术，使得在基因序列中，外来基因的两端留存有特殊标志。转化完成后，他们再用一种名为“Cre”的酶识别这种标志，以此找到外来基因并将其移除。

外来基因被移除后的诱导多功能干细胞仍然具备和其他干细胞类似的基本功能，但却避免了“c－Myc”等外来基因可能带来的癌变风险和其他潜在风险。

参与此项研究的科学家鲁道夫·耶尼施说，有研究者曾用老鼠细胞做过类似实验，但利用人类细胞成功进行上述试验在世界上还是首次。

此次研究所用的皮肤细胞来自帕金森氏症患者，通过上述方法培育出诱导多功能干细胞后，又成功将其培育成为多巴胺神经元细胞，这是帕金森氏症患者大脑中所缺少的一种细胞。因此，相关成果有望为帕金森氏症的治疗研究带来福音。

Cell,6 March 2009 doi:10.1016/j.cell.2009.02.013

Parkinson's Disease Patient-Derived Induced Pluripotent Stem Cells Free of Viral Reprogramming Factors

英国及加拿大的研究人员研发出不需使用病毒就可由皮肤细胞培育出人类万能细胞的方法，这种新法不易使基因癌化，可以说是再生医疗的一大突破。

英国爱丁堡大学教授木尾圭介（Keisuke Kaji）等所组成的研究小组及加拿大的研究小组，首度研发出不使用病毒研制的人类万能细胞，与使用病毒研制的效率相较，前者效率高逾25倍。这项研发成果3月1日在线发布于《自然》杂志。

人类首度研发出的万能细胞是使用“反转录病毒”(retrovirus)将数种基因导入体细胞，但有科学家认为，为了将基因植入体细胞的染色体，反转录病毒容易使基因引发异常，导致癌化。

为了制造出安全度更高的完能细胞，木尾圭介等研究人员是以“转位子”(transposon)将制造万能细胞所需的四个基因同时导入人类胎儿的纤维母细胞，成功地制造出万能细胞。

木尾圭介等研究小组初期采用的方法虽可去除被植入的基因，但会留下一些痕迹，安全上有影响。但在配合加拿大研究小组独立开发的技术后，成功地去除四个基因。染色体中的基因去除后，也具有分化成各种细胞的能力。

研制出万能细胞的日本京都大学教授山中伸弥，去年没使用病毒研制出老鼠万能细胞，但他并未成功地制造出人类万能细胞。

Nature，doi:10.1038/nature07864，Keisuke Kaji，Knut Woltjen

Virus-free induction of pluripotency and subsequent excision of reprogramming factors

来自马克斯·普郎克分子生物医药研究所（Max Planck Institute for Molecular Biomedicine），德国波昂大学等处的研究人员发布了一项细胞重新编程技术方面的里程碑式的研究成果：他们成功的只利用一种转录因子就能完成重新编程。这一研究成果公布杂2月6日的Cell杂志上。

领导这一研究的是著名的干细胞专家Hans R. Schöler，其去年在Nature发表的文章中提出了一种将体细胞重新编程的更安全方法——将之前需要的4种因子减少为2个内生因子（Oct4 加上Klf4或c-Myc），之所以有可能这样，是因为这些神经细胞比胚胎干细胞表达更高水平的内生Sox2和c-Myc，这说明具有适当匹配的转录因子的体细胞是生成iPS细胞的一个潜在有用的起始点。

现在Schöler等人又将需要的转录因子数目减少为一个：Oct4，其研究小组将Oct4以逆转录病毒为载体插入到小鼠神经干细胞，获得了iPS细胞，这些细胞能在体外转变成神经干细胞，或者变成心肌细胞和生殖细胞。而且当研究人员将这些细胞与小鼠胚胎混和的时候，重新编程的细胞能促进生殖腺发育，并传递到下一代。虽然重新编程的成功率比Schöler用两种因子的时候要低10倍，但是这种只有一种因子的方法与用四种因子进行皮肤细胞，成纤维细胞重新编程的效果是一样的。

来自麻省总医药的Konrad Hochedlinger教授评价这一成就“令人惊讶”，美国斯克利普斯研究院的干细胞研究人员Sheng ding则认为，这项研究表明可以利用组织特异性细胞——这些细胞能天然表达一些山中伸弥最初重新编程“工具盒”中的标记，这样能比成纤维细胞更加容易重新编程，“对于这些组织特异性祖细胞的研究十分重要”，“这将帮助我们利用最少数目的基因进行重新编程。”

Schöler表示，这一研究成果“让我们思考是否Oct4在其它细胞中也能诱导出多能性”，目前他们正在进行成纤维细胞这方面的研究，“去年，哈佛大学的Douglas Melton研究组发现利用一种双因子方法：Oct4和Sox2，配合一种小分子抑制剂能有效的重新编程人类成纤维细胞”，Schöler认为只用Oct4也能达到相同的目的。

Schöler的这一单因子研究去除了两个著名的致癌因子：c-Myc和Klf4，但是仍然需要可能永久修改细胞DNA的病毒：逆转录病毒作为载体，因此还是无法应用到临床，不过更少的因子也就意味着需要更少的遗传操作，并且如果Oct4能同非逆转录病毒的方面诱导，那么也许就可以完成无病毒重新编程了。

“如果能发现一种方法无需任何因子，那么这有可能就是最后一步了”，Schöler说，“这一天肯定会到来，现在只是时间问题。”

Cell, Volume 136, Issue 3, 411-419, 6 February 2009　Oct4-Induced Pluripotency in Adult Neural Stem Cells

日本庆应大学研究人员用人类的诱导多功能干细胞（iPS细胞）培育出神经干细胞，并植入因脊髓受损而后脚麻痹的实验鼠体内，有效改善了实验鼠后脚的运动功能。

脊髓损伤是指贯穿背骨的中枢神经受伤，进而造成下肢等丧失运动功能的疾病。迄今为止科学家有过用实验鼠的iPS细胞成功治疗脊髓损伤的实验鼠的先例，但是如果移植人类细胞，实验鼠会发生排异反应，治疗相当困难。为解决上述问题，庆应大学教授冈野荣之和户山芳昭领导的研究小组利用在人工操作下失去免疫反应的实验鼠进行实验。他们首先用人类iPS细胞培育出神经干细胞，然后移植到脊髓受损第9天的40只失去免疫反应的实验鼠体内。

4周后，除11只实验鼠在实验过程中因为其他疾病死亡，剩余29只实验鼠后脚都恢复到了能和前脚协调走路的程度。而任其自然恢复的对照组实验鼠后脚只能微微抽动。

解剖后脚功能恢复的实验鼠后，研究人员确认了它们体内的神经组织已得以再生。移植的神经干细胞的一部分分化生成了神经细胞。此外，包裹在神经细胞轴突外起保护作用的髓鞘也得到了修复。这也很可能与神经功能的恢复存在联系。

在使用iPS细胞的再生医疗领域，植入的细胞发生癌变也是需要解决的重大课题。据报道，在本次实验中，实验鼠被植入神经干细胞7周后，仍未出现肿瘤。研究人员准备观察半年以上，以确认iPS细胞的安全性。另外，他们还考虑在此基础上用猴子等进行实验，从而为将有关成果应用于人类疾病治疗作准备。

日本东京大学干细胞生物学教授中内启光最近成功用人类诱导多功能干细胞（iPS细胞）培养出血小板，这在世界范围内尚属首次。

据共同社3日报道，中内启光等研究人员采用与日本最早培育出iPS细胞的京都大学教授山中伸弥同样的方法，向人类皮肤细胞植入基因，制成iPS细胞。在培养iPS细胞的时候，研究人员添加人类骨髓细胞以及催进细胞增殖的蛋白质等物质，结果iPS细胞分化成了血小板的前身巨核细胞，之后，巨核细胞进一步分化成血小板。

血小板是哺乳动物血液的重要成分之一，具备收缩血管，形成止血栓，帮助止血等功能。手术中使用的血小板现在主要通过献血采集，但这种情况下血小板只能保存几天，十分不便。

据报道，虽然用iPS细胞培养血小板的效率现在还很低，但是生成的血小板的大小、形状和功能都不存在问题。研究小组计划先确认这种血小板的安全性，然后在5年内开始临床试验。

研究人员说，这项研究成果也表明，从技术上来说，用iPS细胞培育人类红细胞和白细胞都是可能的。

遗传性疾病“脊髓性肌萎缩”（SMA）是造成儿童死亡的最常见神经失调症状之一，由SMN1基因两个版本同时发生的突变引起。人们对SMA病理知之甚少，部分原因是，这种疾病是人类独有的，人类有该基因的两个版本——SMN1和 SMN2，而啮齿类和其他实验模型动物只有一个版本。

现在，研究人员已经设计出一种新方法，该方法能生成在细胞层次上研究SMA疾病病理的一种工具。来自一个患有SMA的儿童的皮肤成纤维细胞（同时为了对比也取了来自其未受该疾病影响的母亲的这种细胞）被用来生成“诱导的多能干细胞”（iPS）细胞系。它们形成神经前体细胞培养，该培养可产生保持该疾病表现型的分化的神经组织和运动神经元。该培养还对已知能提升与该疾病相关的突变蛋白水平的药物有反应。类似的iPS技术对于如亨廷顿疾病等其他遗传疾病的研究也许有使用价值。

Nature 457, 277-280 (15 January 2009) | doi:10.1038/nature07677

Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient

美国威斯康辛大学教授詹姆斯·汤姆森的科研小组日前成功地在试管内利用万能细胞再现了疾病过程。该小组用重症神经疾病患者的皮肤细胞培养出人工多功能干细胞(iPS细胞)，将这些iPS细胞培育为神经细胞后，在试管内成功再现了神经细胞因疾病死亡的过程。

这是世界首例使用患者iPS细胞重现病症的成功尝试。科研小组在英国科学杂志《自然》上发表了该成果，预计今后可广泛应用于探明病因、研发新药等领域。

科研小组表示“随着时间推移成功观测到了神经细胞出现的异常变化。在患者体内难以观测的病变可以在试管内清晰再现了”。

日本iPS细胞专家、国立成育医疗中心研究所室长阿久津英宪表示，该成果对iPS细胞在治疗疾病、药物研发领域中的现实应用迈进了一大步。曾有专家担心“重现病症会很难”，而该成果体现了研究的飞速发展。用iPS细胞可无限度繁殖病变细胞用于研究，此意义实属非凡。

Nature advance online publication 21 December 2008 | doi:10.1038/nature07677　Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient

美国科学家使用一个患有脊髓性肌萎缩症（SMA）儿童的皮肤细胞，制造了诱导多功能干细胞（iPS细胞），利用这些iPS细胞培育出包含导致SMA疾病遗传缺陷的运动神经细胞，以观察该疾病怎样发展，并试图找到治疗该疾病的方法。发表在12月21日《自然》杂志上的该项研究，朝着利用iPS细胞来治疗疾病的目标又迈出了重要的一步。

美国威斯康辛大学麦迪逊分校的克莱夫·斯文德森团队使用一个患有SMA的儿童的皮肤细胞制造了iPS细胞，iPS在能够发育为任何器官或组织的能力上与胚胎干细胞类似。然后，研究人员诱导这些细胞变成运动神经细胞，因为身体内的每个细胞包含同样的遗传指令，使用这个儿童的皮肤细胞制造的运动神经细胞也携带该遗传疾病。同时，研究团队也使用该儿童健康母亲的细胞制造了运动神经细胞。

利用该儿童皮肤制造的运动神经细胞在2个月后开始死亡，而利用其母亲细胞制造的神经细胞则正常生长。由于iPS细胞能在实验室里生长几个月甚至几年，因此该实验可多次重复进行。斯文德森将其比作汽车事故的视频，可以反复播放，并找到原因。斯文德森说，该发现可使制药者对潜在的治疗方案进行测试以预防SMA中的神经死亡。

斯文德森实验室并非使用iPS细胞作为研究疾病新型工具的第一家。今年7月底，哈佛干细胞研究所的凯文·埃根使用患有肌萎缩性侧索硬化症的病人的皮肤细胞制造了iPS细胞，这是第一次将来自慢性病患者的皮肤细胞重组为iPS细胞，然后再诱变成理解和治疗疾病所需的特殊细胞类型。

SMA是一种遗传疾病，它会攻击脊髓中的运动神经细胞，人体内缺乏SMN蛋白（SMN蛋白是运动神经元生存蛋白，能够使肌肉活动）时会引发该疾病。患有该疾病的婴儿出生6个月后，该疾病就会慢慢发展，接着肌肉出现萎缩，无法控制运动，直至完全瘫痪，2岁左右就会死亡。

Nature，doi:10.1038/nature07677，Allison D. Ebert，Clive N. Svendsen

Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient

大鼠是历史上第一个被驯化用于科学研究的哺乳动物，用于科研已经超过150年。由于大鼠体型比小鼠大，手术操作方便。而且在生理上具有许多独特的特点，使得大鼠成为非常好的生物、医学、药物、营养、行为等方面研究的良好的模型，广泛应用于生物医药研究中。但是迄今为止，仍然没有大鼠多能的胚胎干细胞系成功建立的报道，而多能的胚胎干细胞是反向遗传学研究和制作疾病模型的重要工具。因此大鼠的遗传学研究以及用大鼠制作人类疾病模型的研究都远远落后于小鼠。

2008年12月18日《细胞·干细胞》(Cell Stem Cell)提前在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所博士研究生廖婧和博士后崔春完成的关于建立和鉴定大鼠诱导多能干细胞(iPS细胞)的重要研究工作，该项工作是在生化与细胞所研究员肖磊博士指导下完成的。

在本项工作中，研究人员成功运用病毒表达转录因子把大鼠成体细胞成功地重编程到多能干细胞状态。从数百个形态类似胚胎干细胞的细胞克隆中，建立了22个类似胚胎干细胞的细胞系。经过进一步筛选、鉴定，最终获得两株符合多能干细胞标准的大鼠iPS细胞系。这些细胞系形态类似小鼠胚胎干细胞，具有跟小鼠胚胎干细胞类似的干细胞标记基因的表达，而且在体外和体内都具有向内、中、外三个胚层分化的能力。

自从1981年小鼠的胚胎干细胞被建立后，公认的胚胎干细胞系被报道的哺乳动物只有小鼠、猴和人三个物种。其他哺乳动物，包括大鼠以及猪、牛、羊等，一直没有公认的胚胎干细胞系被报道。上述研究结果第一次原则性地证明了诱导多能干细胞(iPS)技术可以为这些历史上难以建立胚胎干细胞系的物种建立多能的干细胞系；而且这些多能干细胞有可能直接用于产生基因敲除动物和转基因动物。这个研究结果将会促进其他物种的诱导多能干细胞(iPS)研究和应用。

这个工作得到了中科院上海生科院生化与细胞所、科技部的大力支持。

Cell Stem Cell, 18 December 2008 doi:10.1016/j.stem.2008.11.013

Generation of Induced Pluripotent Stem Cell Lines from Adult Rat Cells

自iPS出现以来，转化效率一直是横跨在iPS技术面前的障碍。到目前为止，最先提高转化效率的是西班牙的科学家，他们将头发里的角质细胞进行重组诱导iPS细胞，结果发现转化效率可提高100倍。但是，至今为止，他们也不清楚为何角质细胞的转化效率会如此高？科学家们还在进一步的研究中，希望找到提高iPS效率的方法。

11月6日，北京大学生命科学院的长江学者邓宏魁等教授通过将多种因子联合4个必须的转化基因（OCT4,SOX2,KLF4和c-MYC)诱导iPS细胞，再经过一个筛选平台对多种因子进行筛选，结果发现有2种因子可显著提高iPS的转化效率。这两种因子就是p53 siRNA和UTF1，将其与四个诱导基因一起转染到人成纤维细胞中,结果转化iPS细胞的效率可提高100倍。并且值得关注的是，就算剔除c-MYC（具有致癌性基因）同样可以成功诱导iPS。

Cell Stem Cell, Volume 3, Issue 5, 6 November 2008 doi:10.1016/j.stem.2008.10.002

Two Supporting Factors Greatly Improve the Efficiency of Human iPSC Generation

日本《每日新闻》2日报道说，日本研究人员最近利用诱导多功能干细胞（iPS细胞）成功治愈实验鼠的髓鞘缺陷。

髓鞘是包裹在神经细胞轴突外的一层膜。髓鞘缺陷是一种很难医治的神经疾病，这种疾病的患者先天难以形成髓鞘细胞，导致大脑指令不能顺畅传达，引起震颤和行走困难等症状。

据报道，日本庆应大学研究人员向健康实验鼠的体细胞植入4个基因，培育出iPS细胞。他们然后使iPS细胞分化生成神经干细胞，并将其移植入患髓鞘缺陷的实验鼠脊髓内。

8周以后，研究人员确认患病实验鼠脊髓的神经细胞长出了髓鞘。另外，研究人员还给因为脊髓损伤而不能行走的实验鼠移植了iPS细胞分化生成的神经干细胞，结果实验鼠行走能力得以恢复。

iPS细胞、胚胎干细胞和成体干细胞能分化成多种器官和组织细胞，因而被称为“万能细胞”。不少研究人员认为，iPS细胞不涉及伦理问题，在再生医疗领域具有更广阔的应用前景。

美国科学家近日利用单个干细胞，建造了小鼠完整的前列腺。这是继2006年科学家在小鼠中利用乳腺干细胞制造出乳腺后，第二次成功地利用单个干细胞制造出完整器官。这一成果代表了干细胞研究和人们对于前列腺发育理解的巨大进步。相关论文10月22日在线发表于《自然》（Nature）杂志上。
 
之前的研究显示，最接近尿道的前列腺区可能含有丰富的干细胞。在最新的研究中，美国Genentech生物公司的Wei-Qiang Gao和同事将小鼠去势（杀伤了部分前列腺），并注射了睾丸激素以刺激再生。研究人员利用聚合酶链反应分析扫描细胞以寻找多种标记蛋白，其中一些之前在干细胞中发现，另一些已知在前列腺发育中发挥作用。
 
结果发现，带有CD117+蛋白标记的细胞（先前并不与前列腺干细胞相关），在去势和注射睾丸激素后发生了增殖。当向小鼠肾脏中植入97个带有特殊标记（包括CD117+）的细胞后，其中14个形成了几乎实际大小的前列腺。这些干细胞产生的前列腺与正常前列腺分泌相同的蛋白。
 
对人类前列腺的蛋白分析同样检测到了CD117+蛋白。Gao说，如果这一蛋白在人体中也是前列腺干细胞标记的话，它将有助于科学家研究前列腺癌是否起源于干细胞出错。
 
美国匹兹堡大学的再生医学专家Stephen Badylak表示，“这是一项非常重要的发现”，它标志着迈向器官再生目标的重要一步。不过，还需要进行更多的研究，以确保再生器官中的细胞“知道”何时停止生长以及形成怎样的形状。 
Nature，doi:10.1038/nature07427，Kevin G. Leong，Wei-Qiang Gao Generation of a prostate from a single adult stem cell

患糖尿病的活小鼠的外分泌胰腺细胞可被重新编程，成为能够产生胰岛素的内分泌细胞，与β细胞相似，从一种分化状态进入另一种分化状态，中间并不需转变成干细胞。这种策略是基于早先关于胰腺发育中所涉及转录因子的研究成果：三种因子（Ngn3, Pdx1 和 Mafa）的组合是该过程中的关键成分。Nature 455, 627-632 (2 October 2008) | doi:10.1038/nature07314

In vivo reprogramming of adult pancreatic exocrine cells to β-cells