2010年度國內干細胞研究進展盤點
時間流逝如同白駒過隙，轉眼又到了2010年的尾聲。今年對我們國家來說是不同尋常的一年，上海世博會和廣州亞運會順利舉辦，GDP超過日本位居世界第二，Cell Research影響因子首次突破8；同樣，今年也是我國干細胞領域不同尋常的一年。去年的這個時候，生物谷就國內2009年干細胞研究的成果做了一個總結。依照慣例，現將國內今年干細胞研究的成果總結如下。由于干細胞研究的范圍很大，某些工作在這里可能沒有提到，特此向這些工作的作者致以誠摯的歉意。
一、干細胞的概念及研究歷史
目前科學界公認的干細胞的定義是：干細胞（stem cells）是這樣一類細胞，它們可以自我更新(self-renew)，即通過細胞分裂產生的兩個子細胞中至少有一個仍是干細胞；同時它們在特定的條件下可以分化成不同類型的功能細胞，與之相關的一個衡量標準是可以形成有功能的器官或整個個體。
20世紀初就有科學家提出“干細胞”這個概念，然而直到1963年，加拿大研究員Ernest A. McCulloch和James E. Till才首次通過實驗證實干細胞的存在。他們發現小鼠的骨髓細胞中存在可以重建整個造血系統的細胞，即造血干細胞。經過近五十年的研究，造血干細胞是目前研究最清楚的干細胞，為干細胞其他領域的研究提供了許多指導性意見。迄今為止，人類陸續在其他器官中發現成體干細胞(adult stem cells)，如小腸、皮膚等。
除了成體干細胞外，人類還從發育早期的胚胎中建立多能干細胞系（pluripotent stem cells）。最早是從畸胎瘤中建立胚胎瘤細胞系（embryonal carcinoma cells），在此基礎上1981年Martin Evans和Gail Martin分別建立了小鼠胚胎干細胞系(embryonic stem cells)，該項成果也讓Martin Evans和另外兩位科學家獲得了2007年的諾貝爾獎。1998年來自美國威斯康辛大學的Thomson JA等人在Science雜志上報道首次成功建立了人胚胎干細胞系。由于人胚胎干細胞系可以分化成人體任何一種細胞（包括神經、心肌、造血、肝臟、胰腺等細胞）并應用于移植，這為多種困擾人類的疾病提供了全新療法。因此，該研究立即引起科學界巨大轟動，開創了干細胞研究的全球浪潮。2006年，日本京都大學教授山中伸彌（Shinya Yamanaka）等人在Cell雜志上報道通過轉染四種轉錄因子（Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc）將小鼠成纖維細胞重編程為誘導多能性干細胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells）。由于該方法解決了傳統方法建立病人特異多能干細胞的致命缺點（效率低；需要大量卵細胞；建立胚胎干細胞系需要破壞胚胎，引起道德倫理爭議。目前尚無人核移植多能干細胞建系的成功報道），因此，該研究立即在全球掀起iPS研究的浪潮，使該領域成為熱門中的熱門，而山中伸彌也成為諾貝爾獎得主的熱門候選人。
二、2010年我國iPS研究的成果
由于iPS細胞巨大的潛在應用價值，2010年，它仍然是干細胞領域的主角。目前iPS領域的研究趨勢為：優化建立iPS細胞的方法，最終得到可用于臨床的iPS細胞；研究重編程（即體細胞變成多能干細胞）的分子機制，并用來指導iPS技術的優化；將病人的體細胞重編程為iPS細胞，用來研究疾病的發生機制和篩選藥物。
2.1 建立iPS細胞方法的優化
由于建立iPS細胞的傳統方法是利用病毒載體將重編程因子（Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc）轉入體細胞內，而病毒載體會隨機插入到體細胞的基因組，造成突變，進而影響iPS細胞的應用。為了解決這一難題，科學家提出許多策略，包括使用非整合載體、選擇合適的體細胞、篩選可以替代重編程因子的小分子、優化培養基等。
北京大學的鄧宏魁教授和中科院廣州生物醫藥與健康研究院的裴端卿研究員分別在Cell Research上報道建立單因子iPS細胞（Oct4-iPS）。鄧宏魁的研究組利用Oct4和四個小分子將小鼠胚胎成纖維細胞(MEF)重編程為iPS細胞，而裴端卿的研究組利用Oct4和BMP4（一種細胞因子）將小鼠成纖維細胞重編程為iPS細胞。最近，美國Scripps研究所的丁勝研究員在Cell Stem Cell上報道利用Oct4和小分子將人的體細胞重編程為iPS細胞。這些進展使iPS細胞更接近臨床應用，為實現只通過小分子重編程體細胞奠定了基礎。在此之前，只有德國馬克斯普朗克研究所的Hans Scholer研究員成功地利用Oct4將神經前體細胞重編程為iPS細胞，而由于神經前體細胞很難獲得，該方法很難應用到臨床。
裴端卿研究員和中科院動物所的周琪研究員分別在J Biol.Chem.和Cell Research上報道優化的建立iPS細胞的培養基。裴端卿的研究組開發的培養基為iSF1，可以只用Oct4和Klf4將腦膜細胞重編程為iPS細胞。周琪的研究組利用基因敲除（knock out）血清替代物(KOSR)代替胎牛血清，可以顯著提高重編程的效率。
周琪研究員和北京生命科學研究所的高紹榮研究員繼去年分別獲得iPS細胞來源的四倍體小鼠后，對該技術做出改進。周琪的研究組在Stem Cell Rev上報道用小鼠成體細胞來源的iPS細胞獲得四倍體小鼠。高紹榮的研究組在Cell Research上報道用三因子iPS細胞獲得四倍體小鼠。另外，周琪和高紹榮分別在Cell Research和Biol Reprod上報道利用iPS細胞作為核移植的供體，獲得克隆小鼠。由于iPS細胞比體細胞在發育階段上更原始，更容易被重編程，因而更容易獲得克隆動物，這為其他物種的克隆提供一條更為便捷的途徑。
裴端卿的研究組在J Biol.Chem.上報道了將臍帶和羊膜來源的細胞重編程為iPS細胞。北京大學李凌松的研究組在Cell Reprogram上報道將腸系膜來源的細胞重編程為iPS細胞。
2.2 重編程機制的研究
裴端卿和另外一個研究組同時在Cell Stem Cell上報道間充質表皮細胞轉換（MET）對重編程的發生是必需的。該發現在同期的Cell Stem Cell雜志得到特別點評，可見該發現的重要性。中科院生化細胞所的裴鋼院士在Stem Cells上報道類似的發現。他們發現表皮細胞的標志物E-cadherin在重編程中發揮重要的作用。
自2006年首次建立iPS細胞系起，該領域的一個重要問題是如何獲得完全重編程的iPS細胞系。周琪和哈佛大學醫學院的Konrad Hochedlinger教授分別在J Biol.Chem.和Nature上報道Dlk1-Dio3印跡區域的激活與否與iPS細胞的發育潛能有密切關系。
2.3 疾病iPS細胞系的建立
裴端卿的研究組在J Biol.Chem.上報道建立Prader-Willi綜合癥的iPS細胞系，為該病發病機制的研究和治療提供很好的模型。
三、胚胎干細胞系的建立及分化
雖然iPS細胞有很多優勢，但胚胎干細胞仍然是多能干細胞研究的金標準。因此，關于胚胎干細胞系的建立及分化的研究仍有必要。
3.1 胚胎干細胞系的建立及相關機制研究
2008年Austin Smith和應其龍在Cell上報道成功建立大鼠胚胎干細胞系。這是除小鼠外唯一能夠形成嵌合體和生殖系傳遞的其它物種的胚胎干細胞系，而獲得能夠生殖系傳遞的胚胎干細胞系是進行基因敲除的前提條件。今年，應其龍的研究組在Nature上報道首次獲得基因敲除大鼠。周琪的研究組在J Genet Genomics上報道建立Brown Norway品系大鼠的胚胎干細胞，并獲得成年的嵌合體大鼠。
人胚胎干細胞應用到臨床前要解決一系列問題，如無動物源成分的培養體系、移植到體內不形成畸胎瘤等。中科院健康科學研究所的金穎研究員在In Vitro Cell Dev Biol Anim上報道建立3株人胚胎干細胞系。這些細胞系在建立過程中盡量避免接觸動物源成分，并且有2株不形成畸胎瘤。這些細胞系為人胚胎干細胞的臨床應用提供寶貴資源。
高紹榮的研究組在Stem Cells上報道通過將生精細胞的細胞核移植到去核卵母細胞中，建立孤雄胚胎干細胞，為建立男性的自體多能干細胞提供一條新的途徑。
靈長類在進化上與人類最近，因此作為模式動物具有其他物種無可比擬的優勢。中科院昆明動物所的季維智研究員在PNAS上報道利用一種基于猿猴免疫缺陷病毒的載體獲得轉基因獼猴，為靈長類的研究奠定了基礎。
由于實驗材料的缺乏，關于人的早期胚胎發育知之甚少。金穎和張濟的研究組在Dev. Cell上報道人早期胚胎發育的基因表達分析，填補了這一領域的空白。高紹榮的研究組在PNAS上報道小鼠卵細胞不同發育階段的蛋白組分析，豐富了關于小鼠卵細胞發育的知識。
雖然經過多年的研究，關于胚胎干細胞維持全能性及分化的分子機制仍然不是很清楚。金穎的研究組在PNAS上報道Oct4可以抑制Stk40，阻止其激活Erk/MAPK通路，進而阻止小鼠胚胎干細胞向原始內胚層分化。
3.2 胚胎干細胞的分化及相關機制研究
鄧宏魁的研究組在Blood上報道一種將人胚胎干細胞分化成造血前體細胞的實驗方案。該方案模擬體內發育進程，并且培養基成分明確，這是目前國際上多能干細胞分化研究的趨勢。該課題組還發現維甲酸可以促進造血前體細胞的生成。
中科院生化細胞所景乃禾研究員在Development上報道BMP4在小鼠胚胎干細胞神經分化的不同階段發揮不同的作用。該課題組發現BMP4在小鼠胚胎干細胞向上胚層干細胞分化過程中起抑制作用，并抑制上胚層干細胞的神經分化，而促進其向其他譜系分化。中科院健康科學研究所楊黃恬研究員在Cell Death and Differentiation上報道三磷酸肌醇3型受體在小鼠胚胎干細胞早期分化中通過調節鈣信號抑制細胞凋亡，并影響其分化。第四軍醫大學的金巖教授在Biochem Biophys Res Commun上報道利用造釉細胞的條件培養基將小鼠胚胎干細胞分化成牙齒表皮樣細胞。
四、成體干細胞的研究及應用
4.1 成體干細胞相關機制研究
北京生命科學研究所的襲榮文研究員在Development上報道TSC1/2通過抑制TORC1通路，維持果蠅生殖干細胞的未分化狀態。該研究組還在Genes Dev.上報道Psc和Su(z)2通過調控經典和非經典的wnt信號通路促進果蠅卵泡干細胞的分化。
中科院健康科學研究所的劉廷析研究員在Blood上報道PTEN-C/EBP-CTNNA1通路控制髓系發育，其異常與白血病發病有關。
4.2 成體干細胞的應用
中科院健康科學研究所的戴克戎研究員在Biomed Mater上報道鎂合金腐蝕后引起pH值升高，進而影響人骨髓基質細胞的存活及骨分化。
間充質干細胞由于具有容易分離、自體來源、無免疫排斥等優點，近幾年在世界范圍內引起極大的興趣。國內某些科研單位已經開始嘗試用自體來源的間充質干細胞治療多種類型的疾病，并取得一定療效。然而，在間充質干細胞廣泛應用前，還有很多基礎工作要做。
五、2010年國內主要的干細胞學術會議
2010年4月，干細胞技術與應用講座在上海舉行。這是由生物谷承辦的第二次干細胞技術培訓班，也反映國內日益高漲的干細胞研究熱情。
2010年8月，中國干細胞之夏--2010上海干細胞研討會在同濟大學舉辦。這是繼去年干細胞之春后在同濟大學舉辦的又一次高水平的干細胞學術會議。
2010年國內干細胞界最重要的活動是去年成立的中國細胞生物學學會干細胞生物學分會于10月在上海舉辦首屆中國干細胞研究年會。國內干細胞界的相關人士齊聚一堂，交流研究成果。第二屆年會將于明年在北京舉辦。
文章來源：生物谷
