重新编程和iPSC的形成-过去和现在

根据个人的基因背景量身定制的个性化疾病治疗是医学的未来。干细胞有望使这一目标成为现实。十年前，多能干细胞不需要来自胚胎的发现引起了干细胞研究领域的范式转变。

胚胎干细胞(ESCs)带来的科学前景和伦理争议一样多。通过重新编程，从非胚胎细胞中制造干细胞的能力，解除了伦理障碍，并正以快速的速度将干细胞研究推向一个新的方向。

重新编程的历史

重编程是将分化的组织特异性细胞恢复为诱导多能干细胞(iPSCs)的过程。

的2006年首次产生了iPSCs山中伸弥(Shinya Yamanaka)博士实验室的小鼠胚胎成纤维细胞，这项工作为他赢得了2012年的诺贝尔生理学或医学奖(与约翰·b·戈登爵士一起)“发现成熟细胞可以被重新编程而变成多能细胞”．

山中伸弥的实验室发现了24种在分化中很重要的蛋白质，没有一种单独诱导多能性。然而，爱好马拉松的山中伸弥采取了一种长期、系统的方法，揭示了其中四种基因的组合，OCT4、SOX2、KLF4和cMYC(也称为OSKM)，它们一起将细胞重新编程为干细胞状态。以这种方式重新编程，通常被称为山中法，创造出不朽的多能细胞。

重新编程是如何发展的?

在过去十年里，重新编程的方法发生了重大变化。最大的变化之一是OSKM等因子如何传递到细胞。到目前为止，诱导多能干细胞是通过病毒载体(逆转录病毒或慢病毒)感染体细胞而产生的。这种方法的结果是转基因整合到细胞的基因组中。基因表达的灵活性在整合时失去，一旦重编程过程完成，这是有问题的。最近，基因以rna的形式直接或通过不整合的病毒被添加到细胞中。这些新方法将基因表达限制在重编程过程的持续时间内。因为当细胞重新分化时，基因是不活跃的，在表达组织特异性因子的过程中干扰较少。

尽管许多干细胞研究人员梦想着能将诱导多能干细胞直接用于治疗疾病，但这条路还不清楚。由于迄今为止只有一项临床试验，山中正专注于建立iPSC细胞库。但是，就目前而言，iPSCs的临床应用并不像它们在研究中的作用以及它们在疾病建模中的作用那样令人兴奋。

Charles P. Emerson博士是马萨诸塞大学医学院韦尔斯通肌肉营养不良合作研究中心面部肩胛肱肌营养不良(FSHD)的主任。他一直在利用iPSCs来模拟肌肉萎缩症。

“iPSCs中所蕴含的潜力确实是惊人的，”爱默生博士说。

关于iPSCs在推进肌肉营养不良领域的影响，爱默生博士解释说:“iPSCs使我们能够以一种非常有意义的方式看待疾病，在很大程度上是因为我们可以在个体水平上研究疾病，在患者独特的基因组成的背景下。现在，当一个病人生病时，我们有能力制造iPSCs来研究他们特定的疾病过程。这种对疾病的个性化观察是非常强大的，将来一定会为新的令人兴奋的治疗方法的发展提供信息。”

如果iPSCs可以在实验室中用于研究纠正疾病，它将如何转化为治疗方法?

答案部分在于获得既能纠正基因突变又能移植到组织中的诱导多能干细胞。CRISPR-Cas9基因编辑技术的出现必将推动iPSCs在纠正细胞突变基因方面的发展。但是，没有排斥反应或其他并发症，如畸胎瘤(肿瘤形成)的移植尚不清楚。

iPSC研究的这一特殊领域似乎是美国国立卫生研究院(NIH)的优先事项。最近的资助机会公告(FOA)题为“改进基于干细胞的再生医学的动物模型(R24)”将资助研究。旨在表征动物干细胞和改进现有的，并创建新的，人类疾病条件的动物模型。这项计划的目的是促进基于干细胞的再生医学疗法的使用。”

最大的挑战

尽管这一复杂问题面临许多挑战，但其中有几个最为突出。

最大的问题仍然是，iPSCs和ESCs有多相似，iPSCs和ESCs之间的差异有意义吗?

斯坦福大学心血管研究所的讲师Jared Churko博士解释说:“许多关于转录组学的研究表明，这两种细胞类型非常相似，99%的基因表达相同。这个小差异可能意味着什么，但这取决于差异是什么。我们需要做的是弄清楚这种差异有多重要，以及它是否会影响下游产生的细胞系。”他补充道:“在很多情况下，这并不重要。”

为了更进一步，Churko博士，Joseph Wu博士和同事们分析了不同的交付方式转录因子的数量影响产生的iPSCs。他们对重编程因子的六种不同的传递方法(小圆质粒、episomal质粒、直接信使RNA转染、仙台病毒、直接microRNA转染和慢病毒系统)进行了系统分析。与ESCs相比，iPSCs表现出显著的基因表达变化，多达500个差异表达基因。

在ESCs和iPSCs之间的遗传差异中，表观遗传基因排名第一，这表明表观遗传记忆在这一过程中发挥了重要作用。

表观遗传景观——主要指组蛋白修饰(甲基化和乙酰化)和DNA甲基化——在细胞被重新编程时被重置。这个过程可能是不完整的，还有多少旧的表观遗传标记仍然是未知的。这是重新编程过程的一个基本部分，可以对多能性和差异化能力产生影响。表观基因组在重编程过程中的作用直到最近才得到充分认识。最近的研究表明，重编程实际上在很大程度上被认为是由表观遗传重塑决定的过程。

丘尔科说，大多数观察到的表观遗传差异并没有阻止使用诱导多能干细胞的潜力。“即使存在这些表观遗传差异，iPSCs仍保持其多能状态，并能够分化为各种细胞类型。此外，如果基因组区域的表观遗传标记没有表达，这些差异可能不会影响细胞的功能。”

丘尔科解释说，还有其他因素在起作用，例如“随着时间的推移，hiPSCs的持续培养和传代会导致基因修饰。”

尽管面临挑战，他和其他人认为，在眼科疾病、血液病和杜氏肌营养不良或其他肌肉疾病方面，可能会首先看到临床进展。

关于重编程的过程和产生的iPSCs，仍有许多问题有待回答。然而，在过去十年中，iPSCs已经上升到最强大的研究工具列表的首位。

正如Churko满怀热情地说:“这个领域是广阔的，我们才刚刚开始发现iPSCs的全部潜力。它们得到更多用途只是时间问题。”