干细胞发展编年史 - 实验室综合讨论区干细胞之家



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flydayzhu

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发表于 2010-8-28 00:27 |只看该作者 |倒序浏览 |打印

毋庸置疑，当今的生物学研究是干细胞时代。无论从基础理论研究还是临床医学应用乃至商业服务，干细胞当之无愧是最热门的关键词。
干细胞的时代始于1998年。
美国威斯康辛大学（University of Wisconsin）科学家汤姆森（James A. Thomson）带领研究团队首次从人类胚胎组织中提取培养出胚胎干细胞（Embryonic Stem Cell，ES Cell）株，并且证实此株细胞具有全能干细胞特征，此项研究论文发表在1998年11月6日出版的顶级学术期刊Science上面。（详情见：Thomson, J.A., J. Itskovitz-Eldor, S.S. Shapiro, M.A. Waknitz, J.J. Swiergiel, V.S. Marshall, and J.M. Jones. "Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts." Science 282 (1998): 1145-1147.）这篇论文标着着一个时代的到来，而汤姆森也被人称作"干细胞研究之父"。
相关链接：干细胞研究
2000年，科学家成功分离出人类胚胎干细胞并且使其在体外条件下分化。（Jose B. Cibelli, Ann A. Kiessling, Kerrianne Cunniff, Charlotte Richards, Robert P. Lanza, Michael D. West. "Rapid Communication: Somatic Cell Nuclear Transfer in Humans: Pronuclear and Early Embryonic Development" e-biomed: The Journal of Regenerative Medicine. November 2001, 2(5): 25-31. doi:10.1089/152489001753262168.）
2003年，美国卫生独立研究院（National Institutes of Health，NIH）华裔科学家施松涛等人首次发现牙齿间质存在干细胞。（Miura M, Gronthos S, Zhao M, Lu B, Fisher LW, Robey PG, Shi S."SHED: stem cells from human exfoliated deciduous teeth."Proc Natl Acad Sci U S A. 2003 May 13;100(10):5807-12.）/ @) R* s, |6 }+ i4 D& m
2005年报出干细胞研究领域乃至全球学术界一大学术丑闻：2004及2005年韩国汉城大学教授黄禹锡有关干细胞研究的论文两次荣登Science杂志，结果经各方查证证实其论文数据存在造假现象，2006年Science杂志宣布撤回这两篇论文。4 x" }/ h* m8 z+ O
2006年，日本科学家山中亚弥等成功诱导出鼠iPS细胞（induced Pluripotent Stem Cell），此项研究成功将干细胞研究扩充到一个新的领域：重编程！（Kazutoshi Takahashi,Shinya Yamanaka "Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors." Cell, Volume 126, Issue 4, 663-676）iPS研究好像是回拨的时针一样，巧妙避开了胚胎干细胞研究应用带来的伦理道德问题，此后很大一部分研究干细胞的科学家都将目光聚焦到iPS的研究上面，干细胞研究迅速繁荣及飞速发展起来。
相关链接：iPS研究: K5 z( G1 Y  [: M
2007年，iPS研究取得巨大进展：山中亚弥等人和汤姆森带领下的华裔科学家俞君英等人分别在Cell及Science发表论文宣布成功利用人类上皮细胞诱导出iPS细胞。（Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S (November 2007). "Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors." Cell 131 (5): 861-72.；Yu J, Vodyanik MA, Smuga-Otto K, Antosiewicz-Bourget J, Frane JL, Tian S, Nie J, Jonsdottir GA, Ruotti V, Stewart R, Slukvin II, Thomson JA (December 2007). "Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells". Science 318 (5858): 1917-20.）4 X' C) y9 P  R% v# f: Z! e
2008年，美国科学家宣布在不伤害胚胎的前提下成功获取胚胎干细胞。（Chung et al. (2008). "Human embryonic stem cell lines generated without embryo destruction". Cell Stem Cell 2: 113.）
2008年，美国科学家解析了microRNAs在干细胞发育及分化中的调控作用，为干细胞日后的研究提供了非常重要的参考资料。（Richard A. Young,et al "Connecting microRNA Genes to the Core Transcriptional Regulatory Circuitry of Embryonic Stem Cells" Cell, Vol 134, 521-533）* @% }  [# S0 V& v, F8 a
2009年1月，汤姆森小组再次独辟奇径，利用重症神经疾病患者的皮肤细胞培养出的iPS细胞重分化为神经细胞后，在试管内成功再现了神经细胞因疾病死亡的过程。（Allison D.Ebert, Junying Yu, Ferrill F. Rose, Jr, Virginia B.Mattis, Christian L.Lorson, James A. Thomson, Clive N.Svendsen "Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient." Nature 457, 277-280）' ^2 U2 C1 u% a+ d
2009年2月，德国科学家首次利用单基因调控方法成功诱导iPS细胞。（Hans R. Schöler,et al" Oct4-Induced Pluripotency in Adult Neural Stem Cells." Cell, Volume 136, Issue 3, 411-419）
2009年3月，美国白头研究所（Whitehead Institute）科学家在成功诱导iPS细胞后，巧妙的将诱导iPS时带入细胞的基因去除，大大降低了细胞癌变风险。（Rudolf Jaenisch,et al "Parkinson's Disease Patient-Derived Induced Pluripotent Stem Cells Free of Viral Reprogramming Factors" Cell,6 March 2009）
2009年3月，汤姆森和俞君英带领的研究小组在iPS研究方面又迈进一大步，他们利用质粒作为诱导iPS基因的载体进行诱导iPS细胞后，随着细胞分裂丢失质粒，可以得到纯净无外源DNA的iPS细胞，在iPS细胞应用安全性方面又进一步。（Junying Yu,James A. Thomson, et al "Human Induced Pluripotent Stem Cells Free of Vector and Transgene Sequences" Science March 26, 2009）2 @3 g9 Y* r9 L4 f* o
相关链接：俞君英4 I7 V8 V! x0 j2 g
2009年4月，我国上海交大吴际教授等人在国际上首次分离出生殖干细胞，并培养得到能长期自我更新的生殖干细胞株。（Ji Wu,et al "Production of offspring from a germline stem cell line derived from neonatal ovaries" Nature Cell Biology 12 April 2009）
美国新任总统奥巴马上台后解禁干细胞研究，这无疑是对干细胞发展的巨大推动，在国际上干细胞研究如盛夏一般火热之时，我国干细胞研究紧随其后，生机勃勃、蓄势待发。
我国干细胞研究主要集中在中科院和几大高校，比如上海生科院的时玉舫研究员、金颖研究员、杨黄恬研究员、肖磊研究员，北京大学邓宏魁教授、李凌松教授，复旦大学朱剑虹教授等。我国卫生部部长陈竺院士看到了我国干细胞研究的潜力和广阔前景，特提辞组织了"干细胞之春"系列活动，为带动我国干细胞研究进步及产业发展，汇集各位干细胞领域学术带头人讲授干细胞领域最新进展及研究方法，促进我国干细胞研究与世界接轨。
干细胞之春——生物谷盘点2009$ a/ Q6 j- L1 I4 |: G
纵观当今生物医学研究，干细胞研究无疑是最热门的领域。1998年，来自威斯康辛大学的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，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，使该领域称为热门中的热门。2009年，奥巴马上台后宣布废除对胚胎干细胞研究的禁令，该项措施极大推动了美国的干细胞研究。总之，干细胞研究是当前最热门、进展最快、最振奋人心的领域。
顺应国际形势，在政府大力支持和广大科研人员努力攻关下，我国的干细胞研究发展迅速。在过去的一年里，我国科学家在干细胞研究的多个领域取得重大突破，部分发现属国际首次。下面就各个领域展开点评。
一、 iPS，iPS and iPS( U6 Z6 _+ J  B3 H" }, Q
和全球的趋势一样，iPS研究同样是我国干细胞研究最热门的领域。我国科学家在以下方面取得重大突破。
1.1 模式动物iPS系的建立' B2 J3 \6 x5 Z* U2 O6 l2 J# \
由于iPS几乎具有ES的所有特性，因此模式动物（尤其是ES建系难度大的物种）iPS系的建立可以极大促进相关领域的科研活动。继2008年12月北京大学邓宏魁教授的实验室在Cell Stem Cell上报道首次建立恒河猴（rhesus monkey）iPS系，2009年1月中科院生化细胞所肖磊研究员的实验室在Cell Stem Cell上和美国scripps研究所丁盛的实验室同时报道首次建立大鼠iPS系。由于大鼠是一种重要的模式动物，应用于多种疾病模型，且在该项研究之前尚无大鼠胚胎干细胞成功建系的报道，因此该项研究在国际上引起巨大轰动，Cell Stem Cell对该发现做出专门评论。2009年4月，肖磊实验室完成了猪iPS细胞的建立，相关研究成果被J Mol Cell Biol杂志接受；随后，中科院广州生物医药与健康研究院的裴端卿教授的实验室也在J Biol Chem上报道建立西藏小型猪（Tibetan miniature pig）的iPS系。由于猪的许多生理功能指标更接近人类，因此这两项研究具有极大的应用前景。2 U. k+ Q# y6 O5 R
1.2 iPS建系优化及病人特异iPS系的建立
2009年8月，中科院健康科学研究所金颖研究员的实验室发现，利用人成纤维细胞作为滋养层细胞（feeder），在不添加白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor, lif）的情况下，可以诱导神经前体细胞重编程为iPS细胞。该项研究成果发表在PLoS One。11月，该课题组在Hum Mol Genet上报道一种高效建立iPS系的方法：利用人羊水来源的细胞作为重编程的起始细胞，可以快速高效的建立人iPS系，为人iPS建系所需时间最短、效率最高的手段。
2009年9月，中科院北京生命科学研究院研究员高绍荣的实验室在Cell Research上报道建立β型地中海贫血病人的iPS系，为该病发病机制的研究、治疗药物的筛选及细胞移植治疗提供了有力的工具。. O& Z+ v- y* v% k' V7 w- l
1.3 iPS发育潜能的研究及定向分化' }; y" `2 B$ y; y" a
2009年8月，高绍荣的实验室在Cell Stem Cell上首次报道通过四倍体互补实验（tetraploid complementation）得到完全由iPS细胞来源的成体小鼠。9月，中科院动物所周琪研究员的实验室和美国scripps研究所Baldwin KK的实验室在Nature上报道了同样的研究结果。四倍体互补试验是检测干细胞发育潜能最严格的标准，该研究表明iPS具备和ES同样的发育潜能，打消了某些人担心iPS不能完全替代ES的顾虑。7 t$ A+ X3 ~$ q* k* W9 P" V* r
iPS的应用首先要求将iPS高效的分化成功能细胞。2009年8月，邓宏魁的实验室在Cell Research上报道成功将人iPS细胞高效的分化成能分泌胰岛素的成熟胰岛细胞。11月，该研究组又成功的将人iPS细胞分化成肝细胞，该研究同样发表在Cell Research上。2009年12月，裴端卿带领的研究小组发现，通过在培养过程中添加维生素C使iPS诱导效率提高了10倍。通过老鼠和人细胞实验发现，培养时添加维生素C可促进相关基因表达，推动体细胞进入重编程状态。该成果发表于Cell Stem Cell杂志。$ O0 l9 Y0 h' t: w7 s
二、干细胞的分离、培养及分化
2.1 干细胞的分离  m) V% L8 P) m/ ]; y- ?$ g5 P
2009年2月，金颖的实验室在Cell Research上报道成功从大鼠囊胚建立多能干细胞系，将该细胞注射到免疫缺陷小鼠体内能形成具有三胚层组织的畸胎瘤。该研究在国际上首次建立能分化成三胚层细胞的大鼠多能干细胞系。由于技术限制，该研究没有检测该细胞系的胚胎发育潜能。如果能通过囊胚注射形成嵌合体和生殖腺传递，则该细胞系将是国际上首株大鼠胚胎干细胞系。
2009年2月，中科院昆明动物所研究员季维智的实验室在Cell Research上报道成功分离恒河猴（rhesus monkey）的肝脏表皮前体细胞。与胚胎干细胞相比，成体干细胞具有成瘤概率低，容易分化成成熟的功能细胞的优点，更适合临床研究与应用。
2009年2月，中科院动物所研究员段恩奎的实验室在Cell Prolif上报道成功的从小鼠皮肤分离出一类干细胞，并将其分化成产生胰岛素的细胞。该研究为人类糖尿病的自体移植治疗开辟了新的途经。
2.2 干细胞的培养# E. G- L5 o& w+ Q/ H, E. R8 U
2009年2月，邓宏魁的实验室在Stem Cells上报道利用一种小分子（pluripotin）和lif的组合，可以从很难建系的小鼠品系高效的建立胚胎干细胞系。该研究发现，pluripotin和lif的组合可以提高内细胞团增殖时Oct4阳性细胞的比例，为国际首次从很难建系的品系（NOD-scid和SCID beige）高效建立胚胎干细胞系。
2009年8月，周琪的实验室在Reproduction上报道首次开发出一种可以有效支持小鼠核移植胚胎发育的培养基。该研究为重编程机制的研究奠定了坚实的基础。2 H4 S7 i1 C- ?9 t+ p/ [0 a
2.3 干细胞的分化7 v* u) T1 B. v1 p. m& w
2009年7月，周琪的实验室报道一种通过单层培养的方法，将恒河猴胚胎干细胞分化成神经前体细胞，该研究结果发表在Reprod Biomed Online上。2009年7月，邓宏魁的实验室在PLoS One上报道首次将人胚胎干细胞分化成肝脏前体细胞。11月，该课题组在J Mol Cell Biol上报道将人胚胎干细胞分化成均质的PDX1阳性的胰腺前体细胞。这些研究为干细胞的临床应用打下坚实的基础。
三、干细胞自我更新及分化机制的研究" H4 ?* \) D6 L0 {. Q/ F
3.1 胚胎干细胞自我更新及分化机制的研究- e% |; Q5 a5 `/ m
Oct4是维持胚胎干细胞自我更新能力的关键转录因子，有两种亚型Oct4A和Oct4B。Oct4A对维持胚胎干细胞的自我更新能力是必需的，而Oct4B的功能研究的不是很清楚。中科院遗传发育所研究员戴建武的实验室发现Oct4B有三种转录本，其中Oct4B-190的表达在应激状态下上升，抑制细胞凋亡。该研究揭示了Oct4具有更为复杂的功能，发表在2009年6月的Stem Cells上。另外，金颖的实验室发现Wwp2在人和小鼠的胚胎干细胞中均可以促进Oct4的降解，揭示了一种重要的Oct4蛋白水平调节方式，该研究结果分别发表在2009年5月和12月的Cell Research上。
和Oct4一样，Nanog和Sox2也是维持胚胎干细胞自我更新能力的关键转录因子，它们和Oct4一起构成核心转录调控网络。2009年4月，金颖的实验室在J Biol Chem上报道Nanog的一种表达调控方式。该研究发现一种转录共激活因子p300可以结合到Nanog的转录调控区域并激活Nanog的表达。该研究组还发现PARP1可以给Sox2加上PAR修饰并引起Sox2的降解，进而调节Fgf4的表达。该研究发表在2009年8月的J Biol Chem上。( O, r/ ~# L( Z3 O+ g$ L
除了Oct4、Sox2和Nanog，越来越多的研究发现，其它蛋白也参与胚胎干细胞自我更新的调控。2009年6月，金颖的实验室在Stem Cells上报道一种锌指核仁蛋白LYAR通过促进胚胎干细胞增殖和抑制凋亡来维持其自我更新潜能。进一步研究发现，LYAR通过和另一种核仁蛋白nucleolin形成复合体并抑制其自我剪切起作用。
胚胎干细胞的自我更新除了受细胞内因子调控外，还受细胞外信号通路的调控。清华大学陈烨光研究组和中科院遗传与发育研究所韩敬东研究组合作发现，BMP信号通路的关键分子SMAD1/5和 SMAD4结合到一类发育调控基因上并影响胚胎干细胞的分化。该研究成果发表在2009年11月的Genome Research上。
3.2 成体干细胞自我更新及分化机制的研究
2009年7月，中科院健康科学研究所研究员杨黄恬的实验室在Am J Physiol Cell Physiol上报道了SERCA和NCX在心肌分化中的功能。他们利用小鼠胚胎干细胞分化来的心肌细胞作为研究模型，发现在心肌分化中胞浆中的钙离子主要由SERCA清除；当SERCA的功能被抑制时，NCX负责清除胞浆中的钙离子。
中科院上海药物研究所李佳研究员、南发俊研究员和冯林音研究员的实验室合作发现：AMPK信号通路的激活可以引起神经干细胞细胞周期阻滞，进而抑制神经干细胞的自我更新，该研究发表在2009年1月的J Biol Chem上。2009年10月，北京大学李凌松教授的实验室在Stem Cells上报道EGFR介导的信号通路可以促进Sox2的表达，而Sox2又可以结合到EGFR的启动子区域并促进其表达，从而形成一个正反馈环路，促进神经干细胞的自我更新。
2009年4月，中科院动物所研究员陈大华的实验室在Plos Genet上报道在果蝇卵巢中dFmr1通过结合bantam miRNA来抑制生殖干细胞分化，促进其自我更新。该研究组还发现一种E2泛素结合酶Effete通过和dAPC2（一种E3连接酶APC的组分）相互作用，促进Cyclin A的降解，来维持果蝇生殖干细胞的自我更新。该研究发表在2009年11月的Development上。; j, H+ F7 w* m5 c  e
2009年9月，中科院北京生命科学研究院研究员袭荣文的实验室在J Mol Cell Biol上报道：旁分泌的Unpaired通过JAK/STAT信号通路，一方面和Wg信号通路协同作用，维持小肠干细胞的自我更新；同时拮抗Notch信号通路，控制小肠干细胞的分化。