昆明理工大学最新综述：原始态多能干细胞的研究与挑战

　　

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生物通报道：啮齿类和传统的灵长类多能干细胞(pluripotent stem cells, PSCs)在很多方面表现出不同的属性. 根据发育阶段、克隆形态、信号依赖、线粒体代谢、嵌合能力、基因表达以及表观遗传等差异, 哺乳动物干细胞多能性被分为原始态(Naive)和始发态(Primed)两种状态.

最近几项研究通过各自的方法获得了不同的灵长类Naive-like PSCs, 这些细胞在很多方面表现出类似于啮齿类PSCs的Naive特性. 来自昆明理工大学灵长类转化医学研究院, 云南中科灵长类生物医学重点实验室的研究人员为此，特分析了啮齿类和灵长类胚胎发育差异性产生不同PSCs的可能机制, 总结了其研究组和其他研究小组在灵长类干细胞多能性方面的研究进展以及原始态(Naive)和始发态(Primed) PSCs自我更新的调控机制差异最后, 对灵长类干细胞多能性研究存在的问题进行了分析, 对将来的研究重点进行了展望.

干细胞(stem cells)是一类具有自我更新(self- renewing)能力, 在一定条件下可以分化成特定组织的细胞. 多能干细胞(pluripotent stem cells, PSCs)具有分化为所有类型成体细胞的能力, 最初的PSCs从畸胎瘤(teratoma)中分离获得.

自从小鼠(Mus musculus)胚胎干细胞(embryonic stem cells, ESCs ), 特别是人和非人灵长类ESCs成功建系以来, ESCs 的研究就倍受关注. 而诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)的出现, 更是让人们看到了干细胞在发育生物学、再生医学、药物筛选、疾病研究与治疗等方面的巨大前景. ESCs和iPSCs统称为PSCs, 这些细胞能在体外进行无限增殖并且能够分化为所有类型的成体细胞, 表达核心转录因子Oct4, Sox2和Nanog, 将其注射到免疫缺陷(severe combined immunodeficiency disease, SCID)小鼠体内能够形成具有3个胚层的畸胎瘤.

然而, 越来越深入的研究发现传统的灵长类PSCs与啮齿类PSCs存在明显的差异, 两者可能代表不同的发育阶段, 啮齿类PSCs代表原始态/基态(Naive/ground state)多能性, 而传统的灵长类PSCs更类似于啮齿类的始发态(Primed state)多能性. 最近, 一系列的研究获得了与啮齿类PSCs具有相似属性的灵长类Naive-like PSCs, 这些细胞不同于传统的灵长类PSCs, 代表一个更早的发育阶段. 同大鼠(Rattus norvegicus)和小鼠相比, 人类胚胎干细胞(human PSCs, hPSCs)研究存在的最大问题是缺乏统一的标准来评价干细胞的多能性, 导致不同实验室建立的hPSCs 差异很大, 而且不同细胞系之间存在较大的分化倾向差异.

如何建立Naive hPSCs的鉴定标准, 这个问题作为世界性的难题在国际顶级杂志上引发了数次讨论. 另外, 每年大约有 200 万人因末期器官功能衰竭需要进行器官移植, 然而仅很少人能完成移植, 器官来源存在巨大的缺口. 获得具有嵌合能力的Naive hPSCs是体内构建组织器官最为关键性的条件, 因此Naive PSCs可作为体内再生功能组织器官的重要供体细胞. 然而, 目前仅获得了小鼠和大鼠的Naive PSCs. 因此, Naive hPSCs的研究, 不仅可以促进对hPSCs自我更新调控和分化机制的理解, 而且可以通过异种嵌合方法体内再生功能性组织器官. 由于其巨大的科学和应用价值, 目前已成为干细胞研究的热点.

作者指出，虽然最近一系列研究获得的灵长类Naive-like PSCs与早期胚胎和啮齿类PSCs分享很多共同的Naive特征, 但也存在一些明显的差异. 在后续研究中, 要想获得真正的灵长类Naive PSCs, 在参照啮齿类PSCs的同时, 可能需要更深入地研究灵长类早期胚胎特别是pre-Epi的发育特点. 因为pre-Epi在功能和分子方面都区别于卵裂球和ICM, 是发育过程中的Naive PSCs. 通过对灵长类pre-Epi 的信号通路、转录调控、能量代谢、基因表达谱和表观遗传修饰等研究, 阐明其Naive PSCs发育、自我更新和生长微环境等相关信息, 将为建立像啮齿类2i/LIF这样体外稳定维持Naive多能性的灵长类培养体系打下基础.

小鼠EpiSCs中存在0.5%左右的细胞亚群, 这群细胞具有更强的多能性, 将其转移到2i/LIF 培养体系, 很容易被逆转到Naive状态. 人Primed PSCs中也存在4%左右的细胞亚群, 这群细胞特异性高表达HERVH(一种灵长类特异的内源性逆转录病毒原件), 具有Naive多能性的大部分特征, 并能在体外长期培养过程中维持. 这两个研究为灵长类Naive PSCs的获得提供了一种新的思路, 特别是HERVH特异性表达的发现有利于灵长类Naive PSCs的鉴定和分离. 在Primed 的培养条件下, 这些更接近于Naive状态的细胞是如何产生并与其他细胞如何保持动态平衡尚不清楚, 研究清楚这种细胞间的相互作用机制, 可能会从侧面给灵长类Naive PSCs的建立提供一些新的线索.

无独有偶, 体外培养的小鼠PSCs中存在0.5%左右的细胞, 这群细胞不表达Oct4, Sox2和Nanog多能性转录因子, 而是与2-细胞期胚胎极其相似, 并称之为2C-like 细胞, 当注射到小鼠胚胎后, 这些细胞能产生所有胚胎组织和胎盘等胚外组织, 具有细胞全能性(totipotency).

令人惊喜的是, 最新研究发现通过下调染色质组装因子1(chromatin assembly factor-1, CAF-1)复合体的表达, 可以有效诱导产生小鼠2C-like的全能干细胞. 这一发现有助于对细胞多能性有更为深入的了解, 且可以在iPSCs的基础上对细胞进行更彻底的重编程, 如果这同样适用于灵长类并在此基础上建立真正意义上的全能干细胞, 这将巨大地推动再生医学的发展并为人类健康带来无限的希望.

另外, 在继续探索灵长类干细胞多能性或全能性的同时, 也应该在现有的基础上加大灵长类PSCs的转化研究, 结合当前CRISPR/Cas9和TALENs基因靶向技术, 实现对其他哺乳动物(如猪(Sus scrofa))胚胎进行相应组织或器官核心基因靶向敲除, 然后将非人灵长类Naive-like PSCs与该胚胎进行异种嵌合后移植受体, 从而产生非人灵长类器官, 为最终实现人类器官再生打下前期基础, 使灵长类PSCs的研究真正在再生医学领域发挥重要作用并造福人类健康.

原文检索：

艾宗勇, 赵淑梅, 李天晴. 灵长类原始态多能干细胞的研究与挑战. 中国科学: 生命科学, 2015, 45: 1203–1213
Ai Z Y, Zhao S M, Li T Q. Research on primate naive pluripotent stem cells and its challenges. SCIENTIA SINICA Vitae, 2015, 45:1203–1213, doi: 10.1360/N052015-00267