Cell Stem Cell:重編程因子配比決定誘導性多功能幹細胞質量

美國麻省理工白頭研究所(Whitehead Institute)研究人員在2011年12月2日那期《細胞-幹細胞》(Cell Stem Cell)雜誌上發表一篇論文，結果表明調整用於將成體細胞重編程為誘導性多功能幹細胞(iPSC)的轉錄因子水平將極大地影響由此形成的誘導性多功能幹細胞的質量。白頭研究所創建成員魯道夫-耶尼施(Rudolf Jaenisch)說，「我認為這一結論是非常令人吃驚的或出乎意料的---這些重編程因子的水平決定誘導性多功能幹細胞的質量。我們從未想到它們發揮重要作用，但是實際上它們確實如此。」

通過引入特異性的重編程基因到成體細胞就可以產生誘導性多功能幹細胞。這些重編程因子將成體細胞推向到一種類似胚胎幹細胞的多能性狀態。像胚胎幹細胞那樣，誘導性多功能幹細胞能夠變成身體任何細胞類型，而這一特徵也使得它們非常適合用於治療性細胞移植或構建研究諸如帕金森疾病和阿爾茨海默病之類疾病的細胞系。

自從2006年創建第一個誘導性多功能幹細胞以來，研究人員報導了使用不同的重編程技術產生誘導性多功能幹細胞的不同效率和質量。儘管研究人員已證實誘導性多功能幹細胞能夠完成適用於胚胎幹細胞的所有發育測試，但是最新的研究報導鑑定出一些分子差別，而這些差別能夠影響它們的發育潛能，並使得它們不能成為胚胎幹細胞的同等物。這些不一致也已使得誘導性多功能幹細胞應用前途暗淡，澆滅了科研人員的熱情，同時也加重了人們的疑慮：它們可能永遠不能用於治療。

在2010年一篇報導中，一家實驗室使用最前沿的技術將含有四種重編程基因的DNA片段安全地整合到成年小鼠細胞基因組中，從而構建出誘導性多功能幹細胞。在這篇高度公開化的研究中，形成的誘導性多功能幹細胞在多能性測試中表現不佳，也不能產生成年小鼠---多能性的最嚴格測試。

然而本篇研究也讓人們還對重編程因子能夠一致性地產生等同於胚胎幹細胞並且完全重編程的細胞的忠實性也產生質疑。該領域很多人將這種情形視作另一枚將誘導性多功能幹細胞釘在棺材裡的釘子。

但是對本篇《細胞-幹細胞》論文的第一作者布賴斯-凱雷(Bryce Carey)而言，誘導性多功能幹細胞喪鐘似乎敲早了。他重複開展實驗，改變一些細節，包括重編程因子放置在插入的DNA片段上的次序。令人吃驚的是，這些微小的變化有深刻的影響：相比更早期的實驗條件幾近相同的研究，更多的成體細胞轉化為高質量的誘導性多功能幹細胞。

凱雷說，「我們正嘗試顯示重編程過程並不像一些人已經認為的那樣存在缺點，人們能夠非常高頻率地分離出這些完全多能性的誘導性多功能幹細胞，而且它們擁有胚胎幹細胞那樣的全部發育潛能。這些參數經常是非常難以控制的，因此山中伸彌(Shinya Yamanaka)2006年第一次描述的重編程方法仍然是用於研究目的的最可靠方法，我們在作出存在固有限制的結論時應當保持警惕。我們證實重獲高質量細胞也不例外。」

該研究得到美國國家科學基金和國家衛生研究院的資助。(生物谷Bioon.com：towersimper編譯)

Reprogramming Factor Stoichiometry Influences the Epigenetic State and Biological Properties of Induced Pluripotent Stem Cells

Bryce W. Carey, Styliani Markoulaki, Jacob H. Hanna, Dina A. Faddah, Yosef Buganim, Jongpil Kim, Kibibi Ganz, Eveline J. Steine, John P. Cassady et al.

We compared two genetically highly defined transgenic systems to identify parameters affecting reprogramming of somatic cells to a pluripotent state. Our results demonstrate that the level and stoichiometry of reprogramming factors during the reprogramming process strongly influence the resulting pluripotency of iPS cells. High expression of Oct4 and Klf4 combined with lower expression of c-Myc and Sox2 produced iPS cells that efficiently generated 「all-iPSC mice」 by tetraploid (4n) complementation, maintained normal imprinting at the Dlk1-Dio3 locus, and did not create mice with tumors. Loss of imprinting (LOI) at the Dlk1-Dio3 locus did not strictly correlate with reduced pluripotency though the efficiency of generating 「all-iPSC mice」 was diminished. Our data indicate that stoichiometry of reprogramming factors can influence epigenetic and biological properties of iPS cells. This concept complicates efforts to define a 「generic」 epigenetic state of iPSCs and ESCs and should be considered when comparing different iPS and ES cell lines.