50年前，英國研究人員John Gurdon證實將來自非生殖細胞（體細胞）的遺傳物質(zhì)移入去核卵細胞中，可將細胞重編程至胚胎狀態(tài)。2006年，日本京都大學研究人員山中伸彌（Shinya Yamanaka）擴展了這些研究結(jié)果，通過在小鼠體細胞中表達四種蛋白逆轉(zhuǎn)了它們的遺傳時鐘，將它們轉(zhuǎn)化成為了稱作誘導多能干細胞（iPS細胞）的胚胎樣干細胞。今年的10月初，Gurdon和Yamanaka因他們的研究發(fā)現(xiàn)獲得了2012年諾貝爾生理學/醫(yī)學獎。

現(xiàn)在由賓夕法尼亞大學Perelman醫(yī)學院的Kenneth Zaret博士領(lǐng)導的一個科學家小組開展了一些細致的檢測研究，更深入地了解了iPS細胞的形成機制，并找出了Yamanaka的重編程程序效率低下的原因。研究揭示了iPS細胞形成的一些細胞障礙，如果克服它們可以大大提高iPS細胞生成的效率和速度。相關(guān)論文發(fā)表在11月21日的《細胞》（Cell）雜志上。

現(xiàn)為賓夕法尼亞大學細胞與發(fā)育生物學教授、再生醫(yī)學研究所副主任的Zaret博士近年來將研究焦點集中在基因調(diào)控、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)以及發(fā)育和干細胞生物學等領(lǐng)域，取得了一系列突破性研究成果，在Science及Cell子刊上發(fā)表多篇研究論文?，F(xiàn)擔任MCB雜志的編輯，并在多個研究院科技咨詢委員會、生物技術(shù)與制藥公司以及NIH任職。同時兼任美國國家醫(yī)學研究院(NIGMS)科學顧問委員會主席，美國科學促進會（AAAS）會員。

“這些研究提供了詳細的見解，重編程因子如何與分化細胞染色質(zhì)相互作用，啟動它們沿路向干細胞轉(zhuǎn)變，”國立普通醫(yī)學科學研究所（該研究的部分資金由這一機構(gòu)提供）的Susan Haynes博士說。Zaret博士的研究還鑒別了染色質(zhì)中一個重要的結(jié)構(gòu)性障礙，重編程因子必須克服這一障礙才能結(jié)合DNA。這一知識將有助于提高重編程的效率，這對于未來的治療應用非常重要。

在諸如皮膚細胞等人類體細胞中表達4種DNA結(jié)合蛋白Oct4、 Sox2、 Klf4和c-Myc (O, S, K, and M)可以生成人類iPS細胞。干細胞和醫(yī)學團體對這些細胞抱有濃厚的興趣，不僅僅因為它們提供了胚胎干細胞樣的前景，且繞開了倫理學和道德困境。同樣重要的是，來自遺傳疾病個體的患者特異性iPS細胞可以用于研究疾病的起源，開發(fā)針對亨廷頓氏病和帕金森氏病等多種疾病的治療藥物。

然而生成iPS細胞的程序效率非常的低下。它需要一個月的時間才能完全將體細胞重編程為iPS細胞，且將4個因子導入1000個細胞才只有1個細胞會成功發(fā)生轉(zhuǎn)化。更重要的是，一些研究表明iPS的可塑性與胚胎細胞并不完全相當。Zaret與Perelman醫(yī)學院的博士后研究員Abdenour Soufi以及生物信息專家決定找出其原因。

目的地測定

研究小組分析了啟動iPS細胞重編程48小時后四個重編程因子在人類基因組中的目的地，比較了它們在起始細胞群、完全重編程iPS細胞、接近重編程過程末期的細胞（前iPS細胞）和胚胎干細胞這四種細胞類型中的位置。

他們發(fā)現(xiàn)在48小時時，重編程因子往往結(jié)合到了遠離它們所調(diào)控的基因，稱作增強子的基因調(diào)控元件上，而非靶向基因自身。這表明O、S和K作為“先鋒因子”打開了DNA封閉的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而促進了重編程過程。

研究小組還發(fā)現(xiàn)在48小時時基因組中有大量的區(qū)域重編程因子難于結(jié)合，但最終它們還是被激活，且實際上是iPS形成的必要條件。

Zaret解釋說：“基本上，人類基因組有一大塊完全抵制這些因子進入。從而為我們提供了一些理解：你必須克服這一結(jié)合障礙讓這些因子到達最終的目的地?！?/SPAN>

這些難接近的序列往往用一種稱作H3K9me3的組蛋白修飾進行化學標記。當研究小組阻斷生成這種修飾的酶時，他們“顯著加速”了重編程過程。

Zaret說這些結(jié)果揭示了減慢和阻礙iPS細胞重編程過程的遺傳障礙，以及有可能是iPS細胞和胚胎干細胞之間細微差異基礎(chǔ)的因子。他們還提出了解決這些問題的一種有潛力的方法——添加H3K9me3抑制劑。

研究結(jié)果還揭示細胞有可能利用了一條與細胞生物學完全不同的正常的細胞機制來抑制了基因區(qū)段。Zaret說：“進入這一想法，我們將了解到逆轉(zhuǎn)至多能性機制的一些信息，最終我們會發(fā)現(xiàn)一些新途徑即細胞通過關(guān)閉基因組的某些部分來控制了基因表達。