陈 一 飞 等 : 人 类 及 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 的 不 同 多 能 性 状 态 1167 图 1 mescs 和 mepiscs 分 化 潜 能 比 较 Fig.1 Property comparision of mescs and mepiscs [2] 细 胞, 在 体 外 可 以

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1 中 国 细 胞 生 物 学 学 报 Chinese Journal of Cell Biology 2011, 33(10): 人 类 及 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 的 不 同 多 能 性 状 态 陈 一 飞 赖 东 梅 * ( 上 海 交 通 大 学 医 学 院 附 属 中 国 福 利 会 国 际 和 平 妇 幼 保 健 院, 上 海 ) 摘 要 胚 胎 干 细 胞 (embryonic stem cells, ESCs) 是 来 源 于 早 期 胚 胎 的 全 能 性 细 胞, 在 合 适 条 件 下 具 有 分 化 为 任 何 一 类 成 体 细 胞 的 潜 力 在 小 鼠 中, 根 据 细 胞 来 源 的 胚 胎 发 育 时 间, ESCs 可 以 被 分 为 原 始 态 多 能 性 (naïve pluripotency) 和 始 发 态 多 能 性 (primed pluripotency) 两 种 状 态 这 两 种 状 态 的 细 胞 在 发 育 上 相 互 联 系, 具 有 不 同 的 形 态 信 号 依 赖 发 育 性 质 基 因 表 达 及 表 观 遗 传 学 性 质, 并 且 在 特 定 的 条 件 下 可 以 相 互 转 化 人 类 胚 胎 干 细 胞 (human embryonic stem cells, hescs) 的 发 育 潜 能 曾 一 度 被 认 为 低 于 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 (mouse embryonic stem cells, mescs), 直 到 人 类 原 始 态 胚 胎 干 细 胞 的 发 现 证 明 了 hescs 可 以 表 现 出 与 mescs 相 似 的 性 质 这 对 于 人 类 胚 胎 发 育 的 研 究 及 ESCs 在 临 床 治 疗 上 的 实 际 应 用 都 具 有 重 要 的 意 义 关 键 词 胚 胎 干 细 胞 ; 多 能 性 状 态 ; 相 互 转 化 干 细 胞 (stem cells) 是 一 类 具 有 自 我 更 新 能 力 在 一 定 条 件 下 可 以 分 化 成 特 定 组 织 的 细 胞, 在 细 胞 发 育 过 程 中 处 于 较 原 始 的 阶 段, 其 特 点 是 具 有 自 我 更 新 及 其 分 化 的 多 能 性 (pluripotency) 多 能 性 细 胞 具 有 分 化 为 所 有 成 体 细 胞 的 能 力, 最 初 的 多 能 性 细 胞 是 由 畸 胎 瘤 (teratoma) 中 分 离 得 到 的 [1] 干 细 胞 领 域 的 另 一 个 突 破 是 1981 年 从 小 鼠 的 正 常 胚 胎 中 分 离 得 到 了 胚 胎 干 细 胞 (embryonic stem cells, ESCs) [2] ; 2006 年 Takahashi 和 Yamanaka [3] 由 成 体 细 胞 重 编 程 获 得 了 ipscs (induced pluripotent stem cells) 现 在 干 细 胞 研 究 已 经 成 为 生 物 学 研 究 的 前 沿 领 域, 是 基 础 生 物 学 研 究 及 临 床 医 学 研 究 的 新 热 点 目 前 已 经 发 现 了 四 种 主 要 的 多 能 性 干 细 胞 : 畸 胎 瘤 来 源 的 胚 胎 性 癌 细 胞 (embryonal carcinoma cells, ECs) 内 细 胞 团 (inner cell mass, ICM) 来 源 的 胚 胎 干 细 胞 初 级 生 殖 细 胞 (primordial germ cells, PGCs) 来 源 的 胚 胎 生 殖 细 胞 (embryonic germ cells, EGs) 上 胚 层 来 源 的 上 胚 层 干 细 胞 (epiblast stem cells, EpiSCs) [5-6] 其 中, 胚 胎 干 细 胞 的 研 究 对 于 理 解 胚 胎 发 育 过 程 及 其 分 子 机 制 具 有 特 殊 的 理 论 意 义, 更 重 要 的 是 胚 胎 干 细 胞 的 应 用 将 是 临 床 治 疗 的 新 领 域, 它 将 成 为 器 官 再 生 基 因 治 疗 等 的 有 效 工 具 1 胚 胎 干 细 胞 简 述 哺 乳 动 物 ESCs 一 般 是 指 分 离 于 早 期 胚 胎, 经 体 外 培 养 获 得 的 具 有 全 能 性 的 细 胞 ESCs 具 有 胚 胎 细 胞 的 特 性, 在 形 态 上 表 现 为 核 质 比 大 核 仁 突 出 培 养 时 呈 克 隆 状 生 长 ; 在 功 能 上 ESCs 具 有 发 育 的 全 能 性, 即 具 有 分 化 为 成 年 动 物 体 内 任 何 一 类 细 胞 的 能 力 目 前 研 究 认 为, 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 (mouse embryonic stem cells, mescs) 可 以 依 据 其 分 离 的 发 育 阶 段 及 细 胞 的 分 化 特 性 分 为 两 种 : 来 源 于 囊 胚 期 内 细 胞 团 (inner cell mass of the developing blastocysts) 的 被 称 为 mescs [2] ; 来 源 于 着 床 后 上 胚 层 细 胞 的 被 称 为 mepiscs [5-6] ( 图 1) mescs 与 mepiscs 两 种 干 细 胞 无 论 在 克 隆 形 态 分 化 能 力 自 我 更 新 维 持 条 件 基 因 表 达 还 是 在 表 观 遗 传 学 水 平 上 均 具 有 不 同 的 特 征 ( 图 1) 这 两 种 胚 胎 干 细 胞 分 别 代 表 了 两 种 不 同 的 多 能 性 状 态 而 被 分 别 命 名 为 原 始 态 (naïve) 及 始 发 态 (primed) 多 能 性 细 胞 [7] 这 种 定 义 暗 示 了 始 发 态 多 能 性 状 态 可 能 是 一 种 更 容 易 进 行 分 化 的 状 态 2 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 的 不 同 多 能 性 状 态 mescs 是 第 一 个 由 正 常 胚 胎 来 源 的 多 能 性 干 收 稿 日 期 : 接 受 日 期 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (No ) 和 中 国 科 学 院 分 子 细 胞 生 物 学 重 点 实 验 室 资 助 项 目 * 通 讯 作 者 Tel: , laidongmei@hotmail.com

2 陈 一 飞 等 : 人 类 及 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 的 不 同 多 能 性 状 态 1167 图 1 mescs 和 mepiscs 分 化 潜 能 比 较 Fig.1 Property comparision of mescs and mepiscs [2] 细 胞, 在 体 外 可 以 被 诱 导 分 化 为 多 种 细 胞 在 体 内 可 以 形 成 畸 胎 瘤 并 发 育 形 成 三 个 胚 层 ; 可 以 形 成 嵌 合 体 ; 在 体 外 能 向 PGCs 分 化 mepiscs 在 体 外 悬 浮 培 养 中 可 以 有 效 地 形 成 类 胚 体 (embryoid body), 在 无 血 清 培 养 基 中 类 胚 体 主 要 分 化 为 神 经 外 胚 层 而 胎 牛 血 清 可 以 促 进 其 向 内 胚 层 及 中 胚 层 分 化, 说 明 [5] mepiscs 具 有 广 泛 的 发 育 潜 力 当 使 用 BMP4 诱 导 分 化 时, mepiscs 可 以 表 达 生 殖 细 胞 特 异 性 基 因 Stella 及 Blimp1 [5] 虽 然 mepiscs 在 体 内 可 以 分 化 形 成 畸 胎 瘤, 但 是 mepiscs 重 新 聚 集 为 ICM 的 效 率 却 [4-6] 非 常 低 mescs 形 成 隆 起 的 克 隆, 而 mepiscs 表 现 为 平 坦 的 克 隆 并 且 mepiscs 在 胰 酶 处 理 后 单 细 胞 克 隆 的 生 长 能 力 很 差 mepiscs 不 能 够 有 效 形 成 嵌 合 体 可 能 是 因 为 其 单 细 胞 存 活 效 率 非 常 低, 所 以, 当 注 入 到 囊 胚 中 时, 不 能 够 融 合 到 ICM 中 另 外 一 种 可 能 是 mepiscs 的 来 源 比 较 晚, 处 于 胚 胎 发 育 的 5.5 天 到 7.5 天, 而 接 受 囊 胚 的 发 育 时 间 是 3.5 天, 因 此 两 种 发 育 状 态 的 细 胞 不 能 融 合 除 了 来 源 的 组 织 差 异, 体 外 培 养 条 件 也 可 能 是 造 成 两 者 ICM 融 合 能 力 不 同 的 原 因 : mescs 需 要 LIF/BMP4 培 养 条 件, 而 mepiscs 的 培 养 条 件 则 是 bfgf/activina 而 Han [4] 等 认 为 mepiscs 可 能 是 两 种 细 胞 的 混 合 物 : 能 够 形 成 嵌 合 体 具 有 高 发 育 潜 能 的 细 胞 占 少 数, 而 另 一 种 占 大 多 数 的 细 胞 发 育 潜 能 低 不 能 够 形 成 嵌 合 体 因 为 能 够 形 成 嵌 合 体 的 细 胞 只 占 少 数, 所 以 mepiscs 整 体 表 现 为 只 具 有 极 低 的 嵌 合 体 融 合 效 率 在 转 录 水 平 上, mepiscs 与 晚 期 上 胚 层 相 似 而 与 ICM 及 mescs 有 所 不 同 ( 表 1) 虽 然 与 mescs 一 样, mepiscs 细 胞 也 表 达 Oct4 Sox2 及 Nanog 等 干 性 因 子, 但 是 mepiscs 中 Nanog Rex1 及 Klf 的 表 达 量 下 降, 而 分 化 标 志 分 子 ( 如 FGF5 MHC I 家 族 ) 已 经 在 这 些 细 胞 中 有 所 表 达 [5-6] ChIP-on-chip 实 验 表 明, mepiscs 具 有 多 能 性 细 胞 特 有 的 染 色 体 结 构 域 及 转 录 因 子 结 合 情 况 Oct4 基 因 在 mescs 及 mepiscs

3 1168 综 述 表 1 原 始 态 与 始 发 态 多 能 干 细 胞 比 较 Table 1 Comparision of naïve and primed pluripotent states 组 别 原 始 态 多 能 干 细 胞 始 发 态 多 能 干 细 胞 Groups Naïve Primed Embryonic tissue ICM Implantated epiblast Representative stem cells Rodent ESCs Rodent EpiSCs, primate ESCs Development Blastocyst chimaeras Yes No Teratomas Yes Yes In vitro differentiate to PGCs Low High Gene expression Gene markers Oct4 Nanog Sox2 Klf2 Klf4 Oct4 Sox2 Nanog Protein markers Rex1 NrOb1 FGF4 FGF5 XX status XaXa XaXi Oct4 enhancer Distal Proximal Property Clonogenicity High Low Double time in vitro 10~14 h 14~16 h Clone morphology Domed Flattened Signal pathway Positive LIF/Stat3 BMP4 WNT IGF TGF-β Activin bfgf ERK1/2 WNT IGF Negative TGF-β Activin bfgf ERK1/2 BMP4 中 使 用 不 同 的 增 强 子, 分 别 为 远 端 (distal) 及 近 端 (proximal) 增 强 子 ( 表 1), 在 体 内 它 们 分 别 在 ICM 及 着 床 后 的 上 胚 层 中 调 控 Oct4 基 因 的 表 达 mepiscs 的 表 观 遗 传 特 性 与 hescs (human embr yonic stem cells, hescs) 相 似, 但 是 与 mescs 不 同 雌 性 mescs 的 两 条 X 染 色 体 均 具 有 活 性 表 现 为 XaXa, 而 雌 性 mepiscs 的 一 条 X 染 色 体 已 经 失 活, 即 XaXi 表 型 ( 图 1 和 表 1) 组 蛋 白 H3K4me3 甲 基 化 修 饰 是 基 因 活 化 的 标 记, 而 H3K27me3 则 是 抑 制 基 因 表 达 的 标 记 Stella 在 mescs 中 特 异 性 表 达, 而 其 转 录 起 始 位 点 也 仅 在 mescs 中 存 在 H3K4me3 修 饰 在 所 有 三 种 细 胞 类 型 中 都 存 在 Otx2 诱 导 型 标 记, 但 在 mescs 中 还 具 有 基 因 抑 制 的 H3K27me3 修 饰, 而 Otx2 在 hescs 及 mepiscs 中 表 现 出 更 高 的 表 达 水 平 既 使 是 在 mepiscs 克 隆 中, 不 同 细 胞 的 基 因 表 [4] 达 及 表 观 遗 传 学 修 饰 也 会 不 同 根 据 Oct4-GFP 报 告 基 因 的 表 达 情 况, mepiscs 的 细 胞 可 以 被 分 为 Oct4-GFP 阳 性 及 Oct4-GFP 阴 性 细 胞, 而 这 两 种 细 胞 可 以 相 互 转 化 并 且 处 于 动 态 的 平 衡 状 态 虽 然 这 两 种 细 胞 的 基 因 表 达 都 与 mescs 有 明 显 的 差 异, 但 是 一 些 mescs 标 志 性 基 因, 如 Klf2 Klf4 Stella Rex1 等 在 Oct4-GFP 阳 性 细 胞 中 的 表 达 水 平 高 于 阴 性 细 胞 而 mepiscs 的 某 些 标 志 基 因, 如 Fgf5 及 Brachyury (T) 在 Oct4-GFP 阴 性 细 胞 中 的 表 达 水 平 则 要 高 于 阳 性 细 胞 Oct4 Stella Vasa Fragilis 等 基 因 的 启 动 子 区 甲 基 化 以 及 Oct4 增 强 子 的 选 择 性 使 用 在 两 种 细 胞 中 也 各 不 相 同, 并 且 都 与 mescs 及 PGCs 有 差 异 Oct4-GFP 阳 性 及 阴 性 细 胞 的 差 异 性 特 征 分 别 对 应 了 体 内 不 同 发 育 阶 段 (E5.5 及 E6.5) 的 原 肠 腔 形 成 前 期 上 胚 层 (pregastrulation epiblasts) [4] 除 了 基 因 表 达 及 表 观 修 饰 的 差 异, mescs 与 mepiscs 对 体 外 培 养 条 件 的 要 求 也 不 一 样 LIF/BMP4 [8-12] 对 于 mescs 的 获 取 及 体 外 培 养 是 必 需 的 ( 表 1), [10-11] LIF 通 过 Stat3 途 径 维 持 mescs 的 多 能 性 ; BMP4 [12] 可 以 维 持 mescs 处 于 未 分 化 状 态 而 与 着 床 后 的 上 胚 层 细 胞 一 致, BMP4 信 号 可 以 诱 导 mepiscs 形 成 PGCs 前 体 ( 图 1) 因 此, 不 能 够 在 LIF/BMP4 条 件 下 获 得 建 系 的 mepiscs [5] mepiscs 的 多 能 性 则 严 格 [5] 地 依 赖 于 activin/nodal 信 号 途 径 ( 表 1), 其 生 长 依 赖 于 Activin bfgf ERK1/2 及 TGF-β 信 号, 并 且 会 被 BMP4 抑 制, 但 对 LIF/Stat3 没 有 反 应 这 两 种 多 能 性 状 态 反 映 了 发 育 过 程 中 胚 胎 细 胞 多 能 性 的 变 化 过 程 两 者 表 现 出 各 自 不 同 的 生 物 学 特 性 ( 图 1 和 表 1), 这 与 它 们 的 发 育 起 源 有 关, 也

4 陈 一 飞 等 : 人 类 及 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 的 不 同 多 能 性 状 态 1169 受 到 体 外 生 长 条 件 的 影 响 越 来 越 多 的 证 据 说 明, 不 同 多 能 性 的 细 胞 可 以 分 为 两 大 类 : 与 ICM 细 胞 类 似 的 多 能 性 状 态, 也 就 是 所 谓 的 典 型 ESCs 状 态 由 PGCs 来 源 的 胚 胎 生 殖 细 胞 及 精 原 干 细 胞 来 源 的 雄 性 生 殖 干 细 胞 也 具 有 这 种 状 态 ; 还 有 一 种 即 是 与 上 胚 层 类 似 (epiblast-like) 的 状 态, 即 EpiSCs 特 性 这 两 种 多 能 性 状 态 在 体 外 是 由 不 同 培 养 条 件 所 维 持 的, 细 胞 表 现 出 不 同 的 基 因 表 达 特 性 及 生 长 性 质 ( 图 1 和 表 1) 此 外, 这 两 种 状 态 依 赖 于 不 同 的 信 号 通 路 ( 表 1), 而 这 两 种 信 号 通 路 是 相 互 拮 抗 的 比 如, BMP4 信 号 与 LIF 一 起 可 以 稳 定 ESCs 的 状 态, 对 于 EpiSCs 却 是 诱 导 分 化 的 条 件 ; TGF-β 及 bfgf 支 持 EpiSCs 的 自 我 更 新, 但 是 可 以 诱 导 ESCs 的 分 化 ; EpiSCs 需 要 ERK1/2 信 号 通 路, 而 如 果 抑 制 这 个 通 路 则 可 以 加 强 mescs 的 自 我 更 新 能 力 [13] [14] 除 了 上 述 两 种 多 能 性 干 细 胞, Chou 等 在 EpiSCs 培 养 条 件 下 由 鼠 的 囊 胚 分 离 到 一 种 新 的 细 胞, 称 为 FAB-SCs (bfgf, activin and BIO-derived stem cells, FAB-SCs) 这 些 细 胞 具 有 特 殊 的 发 育 功 能, 其 分 子 性 质 与 ESCs 及 EpiSCs 都 不 同 FAB-SCs 表 达 干 细 胞 多 能 性 的 分 子 标 志 基 因 (Oct4 Nanog Sox2), 但 是 这 些 细 胞 在 体 外 不 能 够 形 成 类 胚 体 畸 胎 瘤 或 嵌 合 体 然 而 利 用 LIF 及 BMP4 诱 导 后, FAB-SCs 又 可 以 形 成 畸 [14] 胎 瘤, 在 嵌 合 体 小 鼠 中 还 能 够 产 生 生 殖 细 胞 这 种 FAB-SCs 的 细 胞 性 质 及 发 育 能 力 还 需 要 进 一 步 的 研 究 3 不 同 多 能 性 状 态 间 的 相 互 转 变 胚 胎 干 细 胞 的 多 能 性 并 不 是 一 成 不 变 的 在 一 定 的 条 件 下 mescs 与 mepiscs 是 可 以 相 互 转 变 的 ( 图 1), 其 中 涉 及 到 了 表 观 遗 传 上 的 改 变 以 及 基 因 表 达 的 调 节 在 mepiscs 细 胞 培 养 条 件 下 mescs 能 够 继 续 传 代 并 且 会 转 变 为 mepiscs 状 细 胞, 被 诱 导 后 的 细 胞 表 现 出 与 mepiscs 相 同 而 与 mescs 不 同 的 标 志 因 子 表 达 状 况 在 这 个 过 程 中 Klf4 的 表 达 明 显 下 调 Klf4 是 Yamanaka [3] 使 用 的 重 编 程 因 子 之 一, 是 mescs 自 我 更 新 网 络 中 的 一 个 重 要 组 份, 但 是 mepiscs 不 表 达 Klf4 在 mescs 培 养 条 件 下 (2i/Lif), 将 外 源 Klf4 导 入 到 mepiscs 中, 一 部 分 mepiscs 形 成 了 mescs 似 克 隆, 这 种 被 诱 导 后 的 细 胞 被 称 为 Epi-iPS 细 胞 Epi-iPS 细 胞 表 达 包 括 内 源 Klf4 在 内 的 mescs 特 异 转 录 产 物, 并 且 分 化 标 志 因 子 的 表 达 量 下 降 雌 性 细 胞 中 X 染 色 体 的 失 活 是 mepiscs 的 一 个 重 要 标 志, 但 是 在 雌 性 Epi-iPS 细 胞 中 两 条 X 染 色 体 都 恢 复 到 活 化 状 态 Epi-iPS 的 多 能 性 也 与 mescs 相 同 : 可 以 产 生 嵌 合 体 及 发 生 生 殖 系 传 递 (germline transmission), 说 明 在 这 个 诱 导 过 程 中 细 胞 发 生 了 重 编 程 并 且 恢 复 了 原 始 态 多 能 性 状 态 mepiscs 向 mescs 的 重 编 程 同 时 需 要 Klf4 基 因 的 表 达 及 mescs 的 培 养 条 件 未 经 基 因 导 入 的 mepiscs 在 2i/Lif 条 件 下 几 乎 全 部 死 亡 表 明 EpiSC 是 一 个 稳 定 的 细 胞 状 态, 不 能 够 在 此 特 定 条 件 下 自 然 地 向 原 始 态 多 能 性 状 态 转 变 而 基 因 导 入 后 在 mepiscs 培 养 条 件 下, 细 胞 也 不 会 发 生 任 何 变 化 完 成 重 编 程 的 Epi-iPS 会 维 持 这 一 稳 定 性 的 状 态, 即 使 将 外 源 Klf4 基 因 删 除, 细 胞 的 性 质 也 不 会 发 生 改 变, 证 实 了 这 种 细 胞 重 编 程 的 完 整 及 稳 定 性 [16] 随 后 Bao 等 发 现, 在 LIF-Stat3 信 号 下 不 用 外 源 转 录 因 子 也 可 以 将 mepiscs 逆 转 为 ESC 类 似 细 胞 (rescs) 与 上 胚 层 细 胞 及 mepiscs 不 同 的 是, rescs 可 以 在 嵌 合 体 中 形 成 成 体 组 织 及 生 殖 细 胞, 说 明 rescs 是 一 种 稳 定 的 逆 转 细 胞 在 这 种 条 件 下 培 养 的 mepiscs 细 胞 可 以 逐 渐 解 除 表 观 遗 传 学 上 的 重 要 壁 垒, 即 DNA 去 甲 基 化 X 染 色 体 重 新 活 化 转 录 组 上 发 生 协 同 改 变 这 些 变 化 使 得 mepiscs 丢 失 了 上 胚 层 细 胞 的 表 型 及 表 观 遗 传 学 记 忆, 最 终 形 成 重 编 程 的 rescs [16] [17] Greber 等 的 工 作 也 证 明 了 仅 仅 将 mepiscs 转 移 到 mescs 培 养 条 件 下, 即 可 以 实 现 细 胞 多 能 性 状 态 的 逆 转, 并 且 可 以 通 过 阻 碍 FGF/ERK 途 径 及 GSK3β 而 显 著 提 高 mepiscs 的 逆 转 效 率 mepiscs 克 隆 中 不 同 细 胞 向 mescs 的 逆 转 效 率 [4] 也 有 差 别 对 应 于 E5.5 原 肠 腔 形 成 前 期 上 胚 层 的 Oct4-GFP 阳 性 细 胞 向 mescs 的 逆 转 效 率 明 显 高 于 对 应 于 E6.5 的 Oct4-GFP 阴 性 细 胞 除 了 被 重 编 程 为 原 始 态 mescs 外, mepiscs 还 可 以 在 维 持 多 能 性 及 自 我 更 新 的 培 养 条 件 下 产 生 PGCs [18] BMP4 可 以 提 高 PGCs 的 产 生 效 率, 而 BMP4 抑 制 剂 则 抑 制 这 一 过 程, 说 明 BMP4 至 少 是 培 养 基 中 [18] 关 键 性 细 胞 因 子 之 一 由 mepiscs 来 源 的 PGCs 发 生 了 合 适 的 转 录 及 表 观 重 编 程, 并 且 可 以 进 一 步 被 诱 导 分 化 形 成 多 能 性 的 EGCs, 这 些 细 胞 与 ESC 相 似 而 与 最 初 的 EpiSC 不 同 说 明 在 PGCs 的 分 化 中 经 历

5 1170 综 述 了 一 个 表 观 遗 传 的 重 编 码 过 程 ( 消 除 了 EpiSCs 的 表 观 印 记 X 染 色 体 重 活 化 DNA 去 甲 基 化 ) 以 及 基 因 表 达 谱 的 改 变 ( 关 键 干 性 基 因 的 重 新 表 达 ) [18], 达 到 了 一 个 更 早 的 类 似 ICM 的 表 观 状 态 mepiscs 向 mescs 的 这 种 重 编 程 过 程 对 于 hescs 的 性 质 研 究 是 非 常 重 要 的, 因 为 hescs 细 胞 更 加 类 似 于 mepiscs 4 人 类 胚 胎 干 细 胞 的 多 能 性 状 态 目 前, hescs 一 般 分 离 于 体 外 受 精 卵 发 育 到 囊 胚 期 的 ICM, 具 有 正 常 的 染 色 体 组 型 表 达 高 活 性 的 端 粒 酶 表 达 胚 胎 干 细 胞 的 特 异 性 细 胞 因 子 可 以 形 成 三 个 胚 层 [19] 由 于 hescs 不 可 以 进 行 囊 胚 融 合 实 验, 因 此, 不 能 确 定 其 是 否 能 够 形 成 嵌 合 体 虽 然 与 mescs 一 样, hescs 也 是 分 离 于 囊 胚 时 期 的 内 细 胞 团, 但 是 却 表 现 出 不 同 的 性 质, 在 形 态 克 隆 产 生 方 式 培 养 条 件 分 化 行 为 及 分 子 表 达 谱 与 表 观 遗 传 学 上 都 有 很 大 的 差 异 主 要 表 现 在 : 克 隆 平 坦 需 要 bfgf/activin 信 号 在 特 定 条 件 下 某 些 雌 性 细 胞 中 的 一 个 X 染 色 体 失 活, 以 及 对 于 胰 酶 耐 受 性 的 下 降 等 LIF/STAT3 信 号 途 径 对 于 mescs 维 持 自 我 更 新 非 常 重 要, 而 FGF/ERK 信 号 途 径 在 mescs 的 分 化 过 程 中 起 作 用, 所 以 mescs 在 添 加 LIF GSK3β 抑 制 物 ( 以 模 拟 WNT/β-catenin 信 号 途 径 ) MEK 抑 制 物 ( 以 抑 制 FGF/ERK) 的 环 境 中 保 持 未 分 化 状 态 [17] 与 此 相 反 的 是, LIF 对 hescs 没 有 作 用, 并 且 WNT/β-catenin 信 号 途 径 会 引 起 hescs 的 分 化 [21], 而 FGF/ERK 信 号 促 进 细 胞 的 自 我 更 新 这 些 性 质 与 mepiscs 相 似, 说 明 hescs 至 少 部 分 对 应 于 小 鼠 的 始 发 态 而 不 是 原 始 态 它 们 可 以 在 BMP4 条 件 下 分 化 为 PGC 类 似 细 胞, 并 且 一 些 生 殖 细 胞 的 分 子 标 志 可 以 被 激 活, 如 DAZL Blimp1 及 VASA 但 是 mescs 诱 导 这 些 标 志 基 因 表 达 的 效 率 非 常 低, 并 且 要 求 首 先 形 成 类 胚 体 因 此 在 一 段 时 间 里, 人 们 认 为 人 类 的 囊 胚 可 能 已 达 到 了 小 鼠 着 床 后 上 胚 层 细 胞 的 分 化 水 平, 而 hescs 则 更 加 接 近 于 哺 乳 动 物 着 床 后 或 者 原 肠 腔 形 成 前 期 的 细 胞 [17] 但 是 随 后 的 研 究 表 明, hescs 的 多 能 性 也 具 有 不 同 的 状 态, 而 不 是 仅 限 于 始 发 态 基 因 操 作 或 者 特 殊 培 养 条 件 可 以 将 hescs 诱 导 为 原 始 态 多 能 性 细 胞, 这 种 细 胞 与 mescs 的 表 型 及 基 因 表 达 更 为 相 似 在 BMP4 培 养 条 件 下 原 始 态 hescs 中 DAZL Blimp1 及 VASA 的 表 达 都 未 被 激 活 在 小 鼠 中 父 母 本 的 X 染 色 体 在 受 精 时 保 存 遗 传 印 记, 分 裂 (cleavage) 时 保 持 沉 默, 在 着 床 后 的 胚 胎 中 只 有 来 源 于 ICM 的 细 胞 中 X 染 色 体 被 重 新 活 化 表 现 为 XaXa XaXa 是 mescs 全 能 性 的 标 志 之 一, 但 是 hescs 细 胞 株 却 一 般 表 现 为 XaXi 状 态 Lengner 等 在 生 理 氧 气 浓 度 下, 分 离 到 了 XaXa 状 态 的 [22] hescs 通 过 在 不 同 氧 气 浓 度 下 分 析 这 些 细 胞 株 性 质, 证 明 在 人 类 的 囊 胚 中 存 在 X 染 色 体 未 失 活 的 细 胞, 并 且 这 种 状 态 在 合 适 的 体 外 条 件 下 是 可 以 维 持 的 这 改 变 了 人 们 对 hescs 的 传 统 认 识, 说 明 hescs 具 有 比 之 前 认 为 的 更 原 始 的 多 能 性, 在 合 适 的 条 件 下 可 以 维 持 这 种 原 始 的 分 化 状 态 只 是 因 为 受 传 统 分 离 培 养 条 件 的 限 制, 使 得 之 前 没 能 获 得 人 类 的 原 始 态 多 能 性 胚 胎 干 细 胞 Hanna 等 的 工 作 进 一 步 证 实 了 这 一 观 点 在 含 LIF GSK3β 抑 制 剂 ERK1/2 抑 制 剂 的 条 件 下, 通 过 外 源 导 入 Oct4 Klf4 或 者 Klf4 Klf2 可 以 将 hescs 逆 转 为 更 为 原 始 的 与 mescs 类 似 的 多 能 性 状 态 与 传 统 hescs 不 同 的 是, 这 些 经 过 表 观 转 化 的 细 胞 出 现 紧 密 圆 形 隆 起 的 细 胞 克 隆, 并 且 所 依 赖 的 信 号 途 径 都 与 mescs 相 似 相 同 条 件 还 可 以 将 人 类 ipscs 转 化 为 与 mipscs 类 似 的 状 态, 达 到 原 始 态 在 原 始 态 hescs 中 相 关 基 因 上 调, 如 Klf4 Klf2 Tbx3 Gbx2 Lin28 SOCS3; 而 在 上 胚 层 早 期 生 殖 层 及 原 hescs 表 达 的 基 因 被 下 调, 如 Otx2 Sox17 Cer1 Foxa2 Zic1 Lhx2 XIST 在 原 始 态 hescs/hipscs 中 Oct4 使 用 的 是 与 mescs 相 同 的 远 端 增 强 子, 而 不 是 hescs 中 的 近 端 增 强 子 原 始 态 hescs 表 现 为 XaXa 状 态, 说 明 hescs 中 X 染 色 体 的 失 活 也 是 可 逆 的 胰 酶 处 理 后 原 始 态 的 hescs 及 hip- SCs 都 表 现 出 高 单 细 胞 克 隆 效 率 (85%) 并 且 平 均 代 时 (doubling time) 缩 短 了 约 20% 这 些 细 胞 在 体 内 可 以 形 成 畸 胎 瘤 并 发 育 为 三 个 胚 层 在 体 外 可 以 形 成 类 胚 体 原 始 态 hipscs 可 以 直 接 分 化 为 神 经 细 胞 [23] Buecker 等 也 通 过 在 LIF 存 在 下 的 细 胞 重 编 程 获 得 了 在 形 态 分 子 表 达 功 能 性 质 与 mescs 类 似 的 hlr5 ipscs (human LIF+ the consititutive expression of 5 reprogramming factors) hlr5 细 胞 可 以 通 过 胰 酶 消 化 后 单 细 胞 传 代, 效 率 与 mescs 的 单 细 胞 克 隆 效 率 相 当 代 时 由 约 22 小 时 缩 短 为 约 16 小 时 hlr5 细 胞 的 基 因 操 作 效 率 明 显 增 高, 当 向 细 胞 内 电

6 陈 一 飞 等 : 人 类 及 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 的 不 同 多 能 性 状 态 1171 转 入 相 同 量 的 质 粒 时, hlr5 产 生 的 克 隆 是 hescs 的 200 多 倍 [23] 但 是 hlr5 细 胞 不 具 有 多 能 性, 因 为 他 们 不 能 够 活 化 内 源 的 多 能 性 基 因 不 表 达 关 键 干 性 因 子 也 不 能 够 分 化 hlr5 细 胞 需 要 导 入 外 源 重 编 程 因 子 (Oct4 Sox2 Klf4 c-myc 及 Nanog) 以 维 持 原 始 态 去 除 这 些 重 编 程 因 子 后, 他 们 会 再 变 为 标 准 的 hipscs 所 以, 这 些 细 胞 可 能 代 表 了 转 化 后 的 或 者 部 分 重 编 程 的 细 胞 [13] 虽 然 这 些 工 作 突 破 性 地 证 明 了 hescs 可 以 具 有 与 小 鼠 相 似 的 多 能 性 状 态, 但 是 这 种 原 始 态 hescs 的 获 得 借 助 了 基 因 操 作, 需 要 重 编 程 基 因 的 表 达 而 且 会 影 响 分 化 能 力 所 以, 在 无 转 基 因 操 作 的 条 件 下 获 得 原 始 态 hescs 是 另 一 个 需 要 解 决 的 重 要 问 题 [24] 通 过 仅 改 变 培 养 条 件, Xu 等 获 得 了 原 始 态 的 hescs MEK 抑 制 剂 与 p38 抑 制 剂 可 稳 定 mescs 的 多 能 性 状 态 利 用 添 加 这 两 种 物 质 的 mescs 培 养 基 培 养 hescs 后, hescs 的 形 态 发 生 改 变, 并 与 mescs 相 似, 即 生 长 更 为 迅 速 克 隆 变 小 克 隆 变 得 隆 起 且 紧 密 该 工 作 还 发 现 使 用 不 同 的 细 胞 粘 附 系 统 可 能 是 区 分 干 细 胞 不 同 多 能 性 状 态 的 机 制 之 一 胰 酶 作 用 后 mescs 与 hescs 胞 内 的 E-cadherin 都 会 被 降 解, 但 是 mescs 新 合 成 的 E-cadherin 要 比 hescs 中 的 更 稳 定, 而 在 原 始 态 hescs 中 E-cadherin 的 稳 定 性 会 得 到 提 高 [24] mescs 类 似 hescs 的 获 得 证 明 了 人 类 胚 胎 细 胞 的 分 化 发 育 过 程 可 能 是 与 小 鼠 类 似 的, 至 少 其 ICM 细 胞 的 发 育 状 态 并 不 比 小 鼠 的 晚 原 始 态 hescs 的 发 现 与 获 得 对 于 医 学 治 疗 也 具 有 重 要 的 意 义 mescs 类 似 的 人 类 细 胞 可 以 有 效 地 进 行 基 因 操 作, 比 如 说 转 基 因 与 同 源 重 组, 而 这 在 典 型 的 hescs 中 是 很 难 的 [25] 因 为 大 多 数 的 hescs 细 胞 株 是 通 过 小 块 的 细 胞 块 传 代, 不 能 够 利 用 胰 酶 消 化 后 的 单 个 细 胞 传 代, 而 转 基 因 以 后 通 常 是 要 进 行 克 隆 筛 选 的, 因 此 不 能 有 效 地 进 行 单 细 胞 传 代 限 制 了 对 hescs 的 基 因 操 作 5 小 结 与 展 望 哺 乳 动 物 的 胚 胎 干 细 胞 可 以 表 现 出 不 同 的 多 能 性 状 态, 分 别 被 称 为 原 始 态 及 始 发 态 小 鼠 及 人 类 不 同 多 能 性 状 态 干 细 胞 性 质 的 研 究 无 论 是 对 哺 乳 动 物 发 育 规 律 还 是 对 细 胞 分 化 机 制 等 基 础 理 论 研 究, 都 具 有 重 要 的 意 义 特 别 是 人 类 胚 胎 干 细 胞 原 始 态 的 确 定, 证 明 了 人 类 胚 胎 干 细 胞 具 有 与 小 鼠 胚 胎 干 细 胞 相 同 的 发 育 潜 能 将 两 种 多 能 性 状 态 细 胞 进 行 对 照 分 析 是 重 要 的 由 于 两 种 细 胞 分 别 对 应 于 体 内 不 同 的 胚 胎 发 育 时 期, 利 用 这 两 种 细 胞 可 以 构 建 不 同 的 模 型 以 分 阶 段 细 化 分 析 胚 胎 发 育 过 程 中 的 信 号 途 径 及 分 子 机 制 而 区 分 发 育 阶 段 的 疾 病 模 型 则 会 是 研 究 药 物 作 用 机 理 进 行 基 因 治 疗 及 新 药 研 发 的 有 力 工 具 在 特 异 性 的 内 在 及 外 在 因 子 作 用 下 两 种 细 胞 状 态 可 以 相 互 转 换, 说 明 任 一 种 多 能 性 状 态 的 胚 胎 干 细 胞 具 有 成 为 另 一 种 多 能 性 状 态 细 胞 的 潜 力 所 以 人 工 体 外 诱 导 的 ipscs 理 论 上 具 有 形 成 原 始 态 及 始 发 态 两 种 细 胞 的 潜 力, 只 是 因 为 人 为 筛 选 条 件 的 不 同 造 成 所 得 细 胞 的 不 同 这 是 一 个 值 得 探 讨 的 问 题, 特 别 是 对 于 hescs 来 说, 因 为 能 够 有 效 进 行 单 细 胞 传 代 的 原 始 态 hescs 才 能 真 正 地 应 用 于 基 因 治 疗 器 管 再 生 等 临 床 领 域 参 考 文 献 (References) 1 Hogan BL. Changes in the behaviour of teratocarcinoma cells cultivated in vitro. Nature 1976; 263(5573): Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature 1981; 292(5819): Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 2006; 126(4): H an DW, Tapia N, Joo JY, Greber B, Araúzo-Bravo MJ, Bernemann C, et al. Epiblast stem cell subpopulations represent mouse embryos of distinct pregastrulation stages. Cell 2010; 143(4): Brons IG, Smithers LE, Trotter MW, Rugg-Gunn P, Sun B, Chuva de Sousa Lopes SM, et al. Derivation of pluripotent epiblast stem cells from mammalian embryos. Nature 2007; 448(7150): Tesar PJ, Chenoweth JG, Brook FA, Davies TJ, Evans EP, Mack DL, et al. New cell lines from mouse epiblast share defining features with human embryonic stem cells. Nature 2007; 448(7150): Nichols J, Smith A. Naive and primed pluripotent states. Cell Stem Cell 2009; 4(6): Smith AG, Heath JK, Donaldson DD, Wong GG, Moreau J, Stahl M, et al. Inhibition of pluripotential embryonic stem cell differentiation by purified polypeptides. Nature 1988; 336(6200): Williams RL, Hilton DJ, Pease S, Willson TA, Stewart CL, Gearing DP, et al. Myeloid leukaemia inhibitory factor maintains the developmental potential of embryonic stem cells. Nature 1988; 336(6200): Matsuda T, Nakamura T, Nakao K, Arai T, Katsuki M, Heike T, et al. STAT3 activation is sufficient to maintain an undifferenti-

7 1172 综 述 ated state of mouse embryonic stem cells. EMBO J 1999; 18(15): Niwa H, Burdon T, Chambers I, Smith A. Self-renewal of pluripotent embryonic stem cells is mediated via activation of STAT3. Genes Dev 1998; 12(13): Ying QL, Nichols J, Chambers I, Smith A. BMP induction of Id proteins suppresses differentiation and sustains embryonic stem cell self-renewal in collaboration with STAT3. Cell 2003; 115(3): Hanna JH, Saha K, Jaenisch R. Pluripotency and cellular reprogramming: Facts, hypotheses, unresolved issues. Cell 2010; 143(4): Chou YF, Chen HH, Eijpe M, Yabuuchi A, Chenoweth JG, Tesar P, et al. The growth factor environment defines distinct pluripotent ground states in novel blastocyst-derived stem cells. Cell 2008; 135(3): Guo G, Yang J, Nichols J, Hall JS, Eyres I, Mansfield W, et al. Klf4 reverts developmentally programmed restriction of ground state pluripotency. Development 2009; 136(7): Bao S, Tang F, Li X, Hayashi K, Gillich A, Lao K, et al. Epigenetic reversion of post-implantation epiblast to pluripotent embryonic stem cells. Nature 2009; 461(7268): Greber B, Wu G, Bernemann C, Joo JY, Han DW, Ko K, et al. Conserved and divergent roles of FGF signaling in mouse epiblast stem cells and human embryonic stem cells. Cell Stem Cell 2010; 6(3): Hayashi K, Surani MA. Self-renewing epiblast stem cells exhibit continual delineation of germ cells with epigenetic reprogramming in vitro. Development 2009; 136(21): Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz MA, Swiergiel JJ, Marshall VS, et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science 1998; 282(5391): Hanna J, Cheng AW, Saha K, Kim J, Lengner CJ, Soldner F, et al. Human embryonic stem cells with biological and epigenetic characteristics similar to those of mouse ESCs. Proc Natl Acad Sci USA 2010; 107(20): Sumi T, Tsuneyoshi N, Nakatsuji N, Suemori H. Defining early lineage specification of human embryonic stem cells by the orchestrated balance of canonical Wnt/beta-catenin, Activin/Nodal and BMP signaling. Development 2008; 135(17): Lengner CJ, Gimelbrant AA, Erwin JA, Cheng AW, Guenther MG, Welstead GG, et al. Derivation of pre-x inactivation human embryonic stem cells under physiological oxygen concentrations. Cell 2010; 141(5): Buecker C, Chen HH, Polo JM, Daheron L, Bu L, Barakat TS, et al. A murine ESC-like state facilitates transgenesis and homologous recombination in human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 2010; 6(6): Xu Y, Zhu X, Hahm HS, Wei W, Hao E, Hayek A, et al. Revealing a core signaling regulatory mechanism for pluripotent stem cell survival and self-renewal by small molecules. Proc Natl Acad Sci USA 2010; 107(18): Kerr CL, Cheng L. Multiple, interconvertible states of human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell 2010; 6(6): Multiple Pluripotent States of Human and Mouse Embryonic Stem Cells Chen Yifei, Lai Dongmei* (The International Peace Maternity and Child Health Hospital, Shanghai Jiaotong University, Shanghai , China) Abstract Embryonic stem cells (ESCs) are pluripotent cells obtained from embryos during early development. Mouse embryonic stem cells (mescs) can be defined into naïve and primed pluripotent cells depending on the distinct phases of embryonic development from which they were derived. Those cells show different colony morphology, pluripotency, culture conditions for self-renewal, gene expression and epigenetic features. And the two cell types can be interconverted into each other under specific conditions. As human embryonic stem cells (hescs) are more akin to primed mescs than to the naïve mescs, they are thought to be derived from later stage of development compared to mescs. However, this view is being challenged since naïve pluripotent hescs identification. The establishing and characterizing of naïve hescs is essential for both developmental mechanism research and clinical application studying. Here we review recent advances in generation and identification of multiple pluripotent ESCs. Key words embryonic stem cells; pluripotent state; interconvert Received: May 3, 2011 Accepted: June 29, 2011 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No ) and Laboratory of Molecular Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences *Corresponding author. Tel: , laidongmei@hotmail.com

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