2010年中国干细胞研究进展汇总

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& N+ \# {3 }6 k# Y/ @+ r) \5 k时间流逝如同白驹过隙，转眼又到了2010年的尾声。今年对我们国家来说是不同寻常的一年，上海世博会和广州亚运会顺利举办，GDP超过日本位居世界第二，Cell Research影响因子首次突破8；同样，今年也是我国干细胞领域不同寻常的一年。去年的这个时候，生物谷就国内2009年干细胞研究的成果做了一个总结。依照惯例，现将国内今年干细胞研究的成果总结如下。由于干细胞研究的范围很大，某些工作在这里可能没有提到，特此向这些工作的作者致以诚挚的歉意。
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; x0 d! g' y) r& v一、干细胞的概念及研究历史, o- z/ E1 [8 `
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目前科学界公认的干细胞的定义是：干细胞（stem cells）是这样一类细胞，它们可以自我更新(self-renew)，即通过细胞分裂产生的两个子细胞中至少有一个仍是干细胞；同时它们在特定的条件下可以分化成不同类型的功能细胞，与之相关的一个衡量标准是可以形成有功能的器官或整个个体。
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20世纪初就有科学家提出“干细胞”这个概念，然而直到1963年，加拿大研究员Ernest A. McCulloch和James E. Till才首次通过实验证实干细胞的存在。他们发现小鼠的骨髓细胞中存在可以重建整个造血系统的细胞，即造血干细胞。经过近五十年的研究，造血干细胞是目前研究最清楚的干细胞，为干细胞其他领域的研究提供了许多指导性意见。迄今为止，人类陆续在其他器官中发现成体干细胞(adult stem cells)，如小肠、皮肤等。7 d, k$ d: V8 z3 r+ ]- T& P: \
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除了成体干细胞外，人类还从发育早期的胚胎中建立多能干细胞系（pluripotent stem cells）。最早是从畸胎瘤中建立胚胎瘤细胞系（embryonal carcinoma cells），在此基础上1981年Martin Evans和Gail Martin分别建立了小鼠胚胎干细胞系(embryonic stem cells)，该项成果也让Martin Evans和另外两位科学家获得了2007年的诺贝尔奖。1998年来自美国威斯康辛大学的Thomson JA等人在Science杂志上报道首次成功建立了人胚胎干细胞系。由于人胚胎干细胞系可以分化成人体任何一种细胞（包括神经、心肌、造血、肝脏、胰腺等细胞）并应用于移植，这为多种困扰人类的疾病提供了全新疗法。因此，该研究立即引起科学界巨大轰动，开创了干细胞研究的全球浪潮。2006年，日本京都大学教授山中伸弥（Shinya Yamanaka）等人在Cell杂志上报道通过转染四种转录因子（Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc）将小鼠成纤维细胞重编程为诱导多能性干细胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）。由于该方法解决了传统方法建立病人特异多能干细胞的致命缺点（效率低；需要大量卵细胞；建立胚胎干细胞系需要破坏胚胎，引起道德伦理争议。目前尚无人核移植多能干细胞建系的成功报道），因此，该研究立即在全球掀起iPS研究的浪潮，使该领域成为热门中的热门，而山中伸弥也成为诺贝尔奖得主的热门候选人。+ h! e" h( j( L3 |- R' N  P1 g1 w: u
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二、2010年我国iPS研究的成果2 I  ^: o$ _/ T* k$ Q. n
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由于iPS细胞巨大的潜在应用价值，2010年，它仍然是干细胞领域的主角。目前iPS领域的研究趋势为：优化建立iPS细胞的方法，最终得到可用于临床的iPS细胞；研究重编程（即体细胞变成多能干细胞）的分子机制，并用来指导iPS技术的优化；将病人的体细胞重编程为iPS细胞，用来研究疾病的发生机制和筛选药物。
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2.1 建立iPS细胞方法的优化1 T* I' U6 L5 Q. w. s0 I' m
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由于建立iPS细胞的传统方法是利用病毒载体将重编程因子（Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc）转入体细胞内，而病毒载体会随机插入到体细胞的基因组，造成突变，进而影响iPS细胞的应用。为了解决这一难题，科学家提出许多策略，包括使用非整合载体、选择合适的体细胞、筛选可以替代重编程因子的小分子、优化培养基等。
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北京大学的邓宏魁教授和中科院广州生物医药与健康研究院的裴端卿研究员分别在Cell Research上报道建立单因子iPS细胞（Oct4-iPS）。邓宏魁的研究组利用Oct4和四个小分子将小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)重编程为iPS细胞，而裴端卿的研究组利用Oct4和BMP4（一种细胞因子）将小鼠成纤维细胞重编程为iPS细胞。最近，美国Scripps研究所的丁胜研究员在Cell Stem Cell上报道利用Oct4和小分子将人的体细胞重编程为iPS细胞。这些进展使iPS细胞更接近临床应用，为实现只通过小分子重编程体细胞奠定了基础。在此之前，只有德国马克斯普朗克研究所的Hans Scholer研究员成功地利用Oct4将神经前体细胞重编程为iPS细胞，而由于神经前体细胞很难获得，该方法很难应用到临床。- w+ j& Y3 m: m; f6 F! {% n  n( K# p
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裴端卿研究员和中科院动物所的周琪研究员分别在J Biol.Chem.和Cell Research上报道优化的建立iPS细胞的培养基。裴端卿的研究组开发的培养基为iSF1，可以只用Oct4和Klf4将脑膜细胞重编程为iPS细胞。周琪的研究组利用基因敲除（knock out）血清替代物(KOSR)代替胎牛血清，可以显著提高重编程的效率。5 `3 x! Q$ ^7 O) B
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周琪研究员和北京生命科学研究所的高绍荣研究员继去年分别获得iPS细胞来源的四倍体小鼠后，对该技术做出改进。周琪的研究组在Stem Cell Rev上报道用小鼠成体细胞来源的iPS细胞获得四倍体小鼠。高绍荣的研究组在Cell Research上报道用三因子iPS细胞获得四倍体小鼠。另外，周琪和高绍荣分别在Cell Research和Biol Reprod上报道利用iPS细胞作为核移植的供体，获得克隆小鼠。由于iPS细胞比体细胞在发育阶段上更原始，更容易被重编程，因而更容易获得克隆动物，这为其他物种的克隆提供一条更为便捷的途径。
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& C6 D6 d0 j0 d0 D4 f8 b! S& `# [裴端卿的研究组在J Biol.Chem.上报道了将脐带和羊膜来源的细胞重编程为iPS细胞。北京大学李凌松的研究组在Cell Reprogram上报道将肠系膜来源的细胞重编程为iPS细胞。
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2.2 重编程机制的研究$ u+ M/ @% S- s2 {9 i  H9 A+ k
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裴端卿和另外一个研究组同时在Cell Stem Cell上报道间充质表皮细胞转换（MET）对重编程的发生是必需的。该发现在同期的Cell Stem Cell杂志得到特别点评，可见该发现的重要性。中科院生化细胞所的裴钢院士在Stem Cells上报道类似的发现。他们发现表皮细胞的标志物E-cadherin在重编程中发挥重要的作用。! Q" I* s0 x+ V2 c, A7 E+ c! s
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自2006年首次建立iPS细胞系起，该领域的一个重要问题是如何获得完全重编程的iPS细胞系。周琪和哈佛大学医学院的Konrad Hochedlinger教授分别在J Biol.Chem.和Nature上报道Dlk1-Dio3印迹区域的激活与否与iPS细胞的发育潜能有密切关系。
1 a6 F; J6 \- `, X生物 谷推荐相关阅读：& G- }3 ^  U7 M8 F3 X+ m% o2 ]
JBC：发现指示干细胞发育潜能的标记
9 A- B. ?/ k9 M$ i& n. }Nature：iPS细胞分化发育能力低于胚胎干细胞
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0 O4 V; ?6 Z$ z5 ?2.3 疾病iPS细胞系的建立
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裴端卿的研究组在J Biol.Chem.上报道建立Prader-Willi综合症的iPS细胞系，为该病发病机制的研究和治疗提供很好的模型。' t; C9 Z/ x( w) }0 V

4 k! [2 c: M" j. [& \1 Q: G三、胚胎干细胞系的建立及分化5 X% N1 j. _0 r5 i4 @
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虽然iPS细胞有很多优势，但胚胎干细胞仍然是多能干细胞研究的金标准。因此，关于胚胎干细胞系的建立及分化的研究仍有必要。4 o6 f  r2 U% ~; R2 N/ K
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3.1 胚胎干细胞系的建立及相关机制研究
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2008年Austin Smith和应其龙在Cell上报道成功建立大鼠胚胎干细胞系。这是除小鼠外唯一能够形成嵌合体和生殖系传递的其它物种的胚胎干细胞系，而获得能够生殖系传递的胚胎干细胞系是进行基因敲除的前提条件。今年，应其龙的研究组在Nature上报道首次获得基因敲除大鼠。周琪的研究组在J Genet Genomics上报道建立Brown Norway品系大鼠的胚胎干细胞，并获得成年的嵌合体大鼠。
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人胚胎干细胞应用到临床前要解决一系列问题，如无动物源成分的培养体系、移植到体内不形成畸胎瘤等。中科院健康科学研究所的金颖研究员在In Vitro Cell Dev Biol Anim上报道建立3株人胚胎干细胞系。这些细胞系在建立过程中尽量避免接触动物源成分，并且有2株不形成畸胎瘤。这些细胞系为人胚胎干细胞的临床应用提供宝贵资源。+ x: U$ v- W  G3 D: b' \" _0 t! b

" d8 M- C6 A6 Y+ [7 Y/ e  ]高绍荣的研究组在Stem Cells上报道通过将生精细胞的细胞核移植到去核卵母细胞中，建立孤雄胚胎干细胞，为建立男性的自体多能干细胞提供一条新的途径。5 c/ J) k! |/ r5 v% Y7 ?

* H' @& }$ H9 k6 h: c灵长类在进化上与人类最近，因此作为模式动物具有其他物种无可比拟的优势。中科院昆明动物所的季维智研究员在PNAS上报道利用一种基于猿猴免疫缺陷病毒的载体获得转基因猕猴，为灵长类的研究奠定了基础。
" L6 ^2 R. N9 U9 B+ d4 p& P# A; {相关阅读：
& b) s  h% ]7 X' B6 |4 S* VStem Cells：利用生精细胞制备孤雄胚胎干细胞
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) z/ o6 b  m6 e' g" T+ O  R( U由于实验材料的缺乏，关于人的早期胚胎发育知之甚少。金颖和张济的研究组在Dev. Cell上报道人早期胚胎发育的基因表达分析，填补了这一领域的空白。高绍荣的研究组在PNAS上报道小鼠卵细胞不同发育阶段的蛋白组分析，丰富了关于小鼠卵细胞发育的知识。
: R9 a5 I+ P& U& \# F相关阅读：# J- {, R. I7 e; s# {7 d
Dev.Cell：人胚胎早期器官形成过程的转录组研究新进展) I$ M/ G& q; M* M& i

; x9 X8 H- A$ K9 I  |7 v虽然经过多年的研究，关于胚胎干细胞维持全能性及分化的分子机制仍然不是很清楚。金颖的研究组在PNAS上报道Oct4可以抑制Stk40，阻止其激活Erk/MAPK通路，进而阻止小鼠胚胎干细胞向原始内胚层分化。1 ~* I9 R; ?- q- z: q
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PNAS：转录因子Oct4与Erk/MAPK信号通路在胚胎干细胞分化中的调控机制- e; @0 [+ X: c3 n% _+ |# B
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3.2 胚胎干细胞的分化及相关机制研究
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2 h0 R# p9 ^* y5 y0 N* f邓宏魁的研究组在Blood上报道一种将人胚胎干细胞分化成造血前体细胞的实验方案。该方案模拟体内发育进程，并且培养基成分明确，这是目前国际上多能干细胞分化研究的趋势。该课题组还发现维甲酸可以促进造血前体细胞的生成。) }9 ~1 l( s( C, O6 A" `1 `

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中科院生化细胞所景乃禾研究员在Development上报道BMP4在小鼠胚胎干细胞神经分化的不同阶段发挥不同的作用。该课题组发现BMP4在小鼠胚胎干细胞向上胚层干细胞分化过程中起抑制作用，并抑制上胚层干细胞的神经分化，而促进其向其他谱系分化。中科院健康科学研究所杨黄恬研究员在Cell Death and Differentiation上报道三磷酸肌醇3型受体在小鼠胚胎干细胞早期分化中通过调节钙信号抑制细胞凋亡，并影响其分化。第四军医大学的金岩教授在Biochem Biophys Res Commun上报道利用造釉细胞的条件培养基将小鼠胚胎干细胞分化成牙齿表皮样细胞。, r1 r3 J, ^% t* l  G# T# G
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Development：BMP信号通路分阶段调控ESC分化的分子机制
2 Q  ?- P9 f6 B" U8 YCell Death and Differentiation：胚胎干细胞分化中IP3R3介导的钙信号抗凋亡作用
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四、成体干细胞的研究及应用
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4.1 成体干细胞相关机制研究  ?# i) k9 x8 \, G/ Q% C
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北京生命科学研究所的袭荣文研究员在Development上报道TSC1/2通过抑制TORC1通路，维持果蝇生殖干细胞的未分化状态。该研究组还在Genes Dev.上报道Psc和Su(z)2通过调控经典和非经典的wnt信号通路促进果蝇卵泡干细胞的分化。
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' \0 b; X# c# l$ @5 C: y! W$ j中科院健康科学研究所的刘廷析研究员在Blood上报道PTEN-C/EBP-CTNNA1通路控制髓系发育，其异常与白血病发病有关。
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Genes Dev.：多梳基因调控干细胞新模式
1 _4 W/ y) z: I+ M3 H# z; ^Blood：白血病干细胞研究新成果& |) {* E9 L9 O

7 f4 v& e" [* I4 _7 R: A! t% U4.2 成体干细胞的应用9 d/ Q  W7 v1 ^3 ?7 l0 f7 h

4 s* W8 v  l  M3 C' ]中科院健康科学研究所的戴克戎研究员在Biomed Mater上报道镁合金腐蚀后引起pH值升高，进而影响人骨髓基质细胞的存活及骨分化。" G1 k+ M! }: ?; X, M; H/ z) ^# _

5 O9 F  G, |% v7 l% [间充质干细胞由于具有容易分离、自体来源、无免疫排斥等优点，近几年在世界范围内引起极大的兴趣。国内某些科研单位已经开始尝试用自体来源的间充质干细胞治疗多种类型的疾病，并取得一定疗效。然而，在间充质干细胞广泛应用前，还有很多基础工作要做。! h. l/ p8 E& T/ Y! S

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