沈心怡 宋坤 楊利珊 肖雄 張大鵬 楊波 李躍民

（重慶市牧草與草食家畜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，重慶 400715）

卵母細(xì)胞裂解液逆轉(zhuǎn)化體細(xì)胞為多能干細(xì)胞的研究進(jìn)展

沈心怡 宋坤 楊利珊 肖雄 張大鵬 楊波 李躍民

（重慶市牧草與草食家畜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，重慶 400715）

采用卵母細(xì)胞裂解液重編程體細(xì)胞為多能干細(xì)胞是體細(xì)胞重編程的一個(gè)新思路，該方法主要是通過體細(xì)胞與卵母細(xì)胞裂解液的共孵育，使得體細(xì)胞在形態(tài)、基因和功能等方面發(fā)生改變，趨向于胚胎干細(xì)胞的方向發(fā)展。就卵母細(xì)胞裂解液重編程體細(xì)胞的研究現(xiàn)狀、影響因素及存在的問題進(jìn)行綜述。

卵母細(xì)胞 卵母細(xì)胞裂解液 重編程 體細(xì)胞 多能干細(xì)胞

胚胎干細(xì)胞（Embryonic stem cells，ESCs）具有自我分裂增殖并且能夠人工誘導(dǎo)分化成為機(jī)體內(nèi)各種類型細(xì)胞的潛能，由于其獨(dú)特的生物學(xué)特性，使得ESCs被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)的眾多研究領(lǐng)域。但是，為了避免毀損人類胚胎導(dǎo)致的倫理問題，近年來，對干細(xì)胞的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向了誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（Induced pluripotent stem cells，iPSCs）領(lǐng)域，即通過體細(xì)胞重編程途徑獲得iPSCs。目前，用于體細(xì)胞重編程的方法主要有卵核移植、細(xì)胞融合、限定因子誘導(dǎo)和細(xì)胞抽提物誘導(dǎo)等。本文根據(jù)卵母細(xì)胞核移植的原理，對卵母細(xì)胞裂解液重編程體細(xì)胞的研究現(xiàn)狀、相關(guān)機(jī)理以及現(xiàn)存問題進(jìn)行綜述。

1 卵母細(xì)胞裂解液重編程體細(xì)胞為多能干細(xì)胞的研究現(xiàn)狀

細(xì)胞抽提物誘導(dǎo)法是將已分化的體細(xì)胞置于具有多潛能類型細(xì)胞（如卵母細(xì)胞、ESCs［1］、畸胎瘤細(xì)胞［2］）的抽提物中，通過其提供的能夠誘發(fā)細(xì)胞核發(fā)生重編程的調(diào)控元件［2］，誘導(dǎo)體細(xì)胞發(fā)生重編程，最終獲得iPSCs。Gurdon［3］采用體細(xì)胞核移植技術(shù)成功獲得幼蛙；1997年，英國羅斯林研究所宣布利用成年母綿羊乳房上皮細(xì)胞為供核細(xì)胞進(jìn)行核移植得到了體細(xì)胞克隆羊 “Dolly”［4］。2011年，吳蘇君等［5］將牛成纖維細(xì)胞移植入生發(fā)泡期（Germinal vesicle stage，GV期）和MII期卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)以

后，經(jīng)過培養(yǎng)其重組核移植卵的轉(zhuǎn)錄因子Nanog和Oct 4基因均被誘導(dǎo)表達(dá)，并且明顯定位于所移植的成纖維細(xì)胞的細(xì)胞核上，而成纖維細(xì)胞組和未注射成纖維細(xì)胞的空白卵母細(xì)胞組中均未檢測到Nanog和Oct 4的表達(dá)。試驗(yàn)表明移入體細(xì)胞核的卵母細(xì)胞具有誘導(dǎo)已分化體細(xì)胞發(fā)生重編程的能力，在卵母細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的胞漿物質(zhì)中含有特定的轉(zhuǎn)錄因子能夠使移入的體細(xì)胞核表達(dá)Nanog和Oct 4類蛋白質(zhì)活性物質(zhì)。當(dāng)采用液氮反復(fù)凍融的方法裂解卵母細(xì)胞并富集其有活性的胞漿物質(zhì)后，細(xì)胞內(nèi)參與重編程的一些關(guān)鍵蛋白和細(xì)胞因子、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子等能夠被人為地富集起來，有利于對體細(xì)胞進(jìn)行體外轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)，當(dāng)與經(jīng)鏈球菌溶血素O（Streptolysin O，SLO）通透化處理過的體細(xì)胞共孵育時(shí)，這些物質(zhì)就有可能進(jìn)入體細(xì)胞內(nèi)發(fā)生作用，促使其發(fā)生內(nèi)源性染色體結(jié)構(gòu)重建、DNA甲基化、組蛋白乙?；?、印跡基因表達(dá)和維持多能性必需基因的活化等重編程過程，將已成熟分化的體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)化為多能干細(xì)胞的狀態(tài)。與其他誘導(dǎo)法相比，卵母細(xì)胞裂解液誘導(dǎo)法還具有以下優(yōu)勢：（1）不存在被導(dǎo)入的ESCs（或多能性細(xì)胞）的染色體重編程；（2）利用卵母細(xì)胞裂解液可以將體細(xì)胞直接重編程、去分化為多能干細(xì)胞，而不用回歸到胚胎狀態(tài)，簡化了重編程的方法，縮短了重編程的時(shí)間，同時(shí)，卵母細(xì)胞裂解液中多種成分的共同作用，為實(shí)現(xiàn)高效重編程奠定了基礎(chǔ)；（3）通過操縱細(xì)胞提取物的成分有望識(shí)別與重編程有關(guān)的細(xì)胞因子，有利于闡明重編程的機(jī)制。

近年來，已有研究人員利用干細(xì)胞裂解液成功地將體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞。McGann等［6］將C2C12起源的小鼠肌小管連續(xù)培養(yǎng)在蠑螈新生肢細(xì)胞提取物中發(fā)現(xiàn)，有18%的細(xì)胞發(fā)生去分化，成為可以進(jìn)行DNA復(fù)制的成肌細(xì)胞，去除細(xì)胞提取物后，去分化細(xì)胞的表型依然存在，表明已經(jīng)發(fā)生了細(xì)胞的重編程；2004年，Hansis等［7］報(bào)道爪蟾屬卵母細(xì)胞提取物可以誘導(dǎo)293T細(xì)胞和白細(xì)胞發(fā)生重編程形成細(xì)胞團(tuán)，這些細(xì)胞團(tuán)外形上與ESCs形成的細(xì)胞克隆相似，可以表達(dá)Oct 4，而且堿性磷酸酶陽性；2005年，Taranger等［2］發(fā)現(xiàn)未分化的人類畸胎癌細(xì)胞——NCCTT可以重編程293T細(xì)胞成為具有多能性的未分化的細(xì)胞團(tuán)。在NCCTT提取物中處理一周后，60%-70%的細(xì)胞顯示出核內(nèi)Oct 4蛋白標(biāo)志；2010年，Han等［1］將人成纖維細(xì)胞培養(yǎng)在人類ESCs抽提物、5-氮-2-脫氧胞苷（5-aza-2’-deoxycitydine，5-Aza-dC）和曲古抑菌素（Trichostatin A，TSA）和維A酸的混合液中，形成了人類ESCs集落。

2 影響卵母細(xì)胞裂解液重編程體細(xì)胞效率的因素

2.1 卵母細(xì)胞的細(xì)胞周期

用于制備裂解液的卵母細(xì)胞所處減數(shù)分裂階段的不同，體細(xì)胞重編程的效率存在差異。一般用作裂解液的卵母細(xì)胞為GV期和MII期卵母細(xì)胞。GV期卵母細(xì)胞中有線粒體ATP8基因的表達(dá)［8］。且GV期卵母細(xì)胞的核很大，染色質(zhì)高度疏松，外包完整的核膜，此時(shí)的細(xì)胞核又稱為GV［9］。哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞MII期的維持與高水平的成熟促進(jìn)因子（Mature promoting factor，MPF）活性有關(guān)，而MPF的活性則是由對Ca2+非常敏感的細(xì)胞靜止因子（Cytostatic factor，CSF）所維持，MII期卵母細(xì)胞不斷地合成CSF，使CSF一直處于高水平［10］，并且MII期卵母細(xì)胞中含有多種母源蛋白［11］。這兩個(gè)不同時(shí)期的卵母細(xì)胞所含有的轉(zhuǎn)錄因子都可能對逆轉(zhuǎn)化過程起到一定作用，但對移入細(xì)胞核的分裂形式表現(xiàn)不同。

Kwon等［12］采用GV期豬卵母細(xì)胞提取物（GVcyto）處理成纖維細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生了變化，處理7 d形成小集落，培養(yǎng)3周后集落擴(kuò)大，類似ESCs的集落形態(tài)，并且伴有Oct 4、Nanog蛋白的微弱表達(dá)和其他多能性標(biāo)志物的變化，而未經(jīng)GVcyto處理過的成纖維細(xì)胞沒有顯示任何形態(tài)變化或蛋白標(biāo)志物的表達(dá)，表明GV期卵母細(xì)胞中存在重編程所需的必要的調(diào)控元件。Miyamoto等［13］分別用豬GV期和MⅡ卵母細(xì)胞抽提物評估誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程的能力，前者誘導(dǎo)激活多能性標(biāo)志基因的表達(dá)，細(xì)胞呈克隆樣生長；后者重編程作用引起基因組H3K9去乙?；?、TATA盒結(jié)合蛋白（TATA box binding protein，TBP）消失，但沒有明顯的形態(tài)學(xué)變化，說明GV期和MⅡ期卵母細(xì)胞都具有誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程的能力。因此，卵母細(xì)胞（GV期和MII期）裂解液中必定含有某些重編程作用因子，

可誘導(dǎo)體細(xì)胞的重編程。

2.2 體細(xì)胞的種類

由于成纖維細(xì)胞具有體內(nèi)儲(chǔ)量豐富、取材方便且易于分離培養(yǎng)等優(yōu)勢，保證了充足的實(shí)驗(yàn)材料，常被用于體細(xì)胞重編程的研究。除了成纖維細(xì)胞外，已有研究表明，在特定的轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)下，角質(zhì)形成細(xì)胞比成纖維細(xì)胞更容易去分化為多能干細(xì)胞［14］，因?yàn)榻琴|(zhì)形成細(xì)胞中含有對上皮細(xì)胞具有比較強(qiáng)的促使分裂原活性的一種生長因子——角質(zhì)細(xì)胞生長因子，其對組織損傷具有明顯的促進(jìn)修復(fù)和保護(hù)作用。在卵母細(xì)胞裂解液中角質(zhì)形成細(xì)胞是否能替代甚至優(yōu)于成纖維細(xì)胞還有待進(jìn)一步研究。

2.3 卵母細(xì)胞裂解方法

細(xì)胞提取物的制備方法很關(guān)鍵，目前主要有以下4種：（1）液氮反復(fù)凍融法：將收集到的細(xì)胞經(jīng)液氮反復(fù)凍融后，離心收集細(xì)胞裂解液的懸浮液作為細(xì)胞提取液，可保存在-80℃的超低溫冰箱內(nèi)［15］；（2）超聲波處理法：采用直徑2 mm的探針進(jìn)行超聲波脈沖破碎細(xì)胞，離心收集細(xì)胞裂解液，用液氮速凍后保存在-80℃的超低溫冰箱內(nèi)［16］；（3）高速離心法：使用固定角轉(zhuǎn)頭的高速離心機(jī)對細(xì)胞進(jìn)行4℃、90 000 r/min離心破碎，細(xì)胞提取物轉(zhuǎn)移到新的離心管后再離心一次，從而收取細(xì)胞提取液［13］；（4）玻璃吸管吹打法：采用口徑在細(xì)胞和細(xì)胞核大小之間的顯微吸管反復(fù)吹打細(xì)胞使其破碎，而細(xì)胞核沒有破碎，此方法僅限于個(gè)體大的細(xì)胞，如卵母細(xì)胞和胚胎細(xì)胞［17］。

2.4 被誘導(dǎo)體細(xì)胞膜的通透性處理

SLO是膽固醇依賴性溶血素家族中的一員，是由溶血家族A鏈球菌分泌得到的單鏈聚合水溶性蛋白質(zhì)。在適宜濃度下，SLO可以與細(xì)胞膜上的膽固醇聚合成由非共價(jià)鍵形成的弧形或環(huán)形的膜通道，而大部分細(xì)胞膜可保持完整。正是因?yàn)樾纬蛇@樣的膜通道，細(xì)胞提取物才得以進(jìn)入到體細(xì)胞中。目前，比較成熟的方法是首先采用細(xì)菌毒素SLO穿透供體細(xì)胞的質(zhì)膜，然后將供體細(xì)胞置于靶細(xì)胞的細(xì)胞提取物中共孵育，靶細(xì)胞特異性因子擴(kuò)散入已被穿透的供體細(xì)胞，并被供體細(xì)胞的細(xì)胞核占據(jù)。細(xì)胞提取物進(jìn)入到體細(xì)胞后，加入適宜濃度的CaCl2可以重新封閉膜通道，保持細(xì)胞膜的通透性。通過后續(xù)培養(yǎng)，分析細(xì)胞功能特征的改變，可以測定其重編程的效率。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)了可以替代SLO對細(xì)胞進(jìn)行滲透化處理的物質(zhì)——洋地黃皂苷（Digitonin）。洋地黃皂苷是一種非離子去污劑，可以與細(xì)胞膜膽固醇絡(luò)合［18］。洋地黃皂苷只滲透化處理含高膽固醇的細(xì)胞膜部位，不會(huì)與細(xì)胞核膜發(fā)生反應(yīng)，幾乎不影響細(xì)胞骨架的完整性［19］。在2004年，Hansis等［20］研究發(fā)現(xiàn)，用洋地黃皂苷進(jìn)行通透化處理的293T細(xì)胞與細(xì)胞提取物共培養(yǎng)后也可表達(dá)Oct 4基因；2012年，Yang等［21］研究發(fā)現(xiàn)15 μg/mL的洋地黃皂苷比10 μg/mL去甲基化的效果更好。

2.5 被誘導(dǎo)體細(xì)胞核內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的激活處理

研究發(fā)現(xiàn)，多能性相關(guān)的基因啟動(dòng)子DNA在體細(xì)胞中處于高度甲基化和低乙?；癄顟B(tài)，不具備發(fā)生轉(zhuǎn)錄的條件，而在干細(xì)胞中卻是處于低甲基化和高乙?；癄顟B(tài)，有利于多能性相關(guān)基因的表達(dá)。2010年，Han等［1］研究發(fā)現(xiàn)，在人成纖維細(xì)胞與干細(xì)胞的細(xì)胞抽提物共培養(yǎng)之前，添加5-AzadC 和TSA處理成纖維細(xì)胞可以提高體細(xì)胞重編程的逆轉(zhuǎn)化效率。5-Aza-dC是甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑，在DNA復(fù)制過程中，可以與DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase，Dnmt）結(jié)合形成一種共價(jià)復(fù)合物，抑制該酶的甲基轉(zhuǎn)移活性，而達(dá)到去甲基化的目的。TSA是乙酰化酶抑制劑，其通過抑制去乙酰化酶的活性來提高組蛋白的乙?；潭取SA 可以廣泛地改變表觀遺傳狀態(tài)，激活基因表達(dá)，包括外源基因，不具有顯著的特異性。

3 問題及應(yīng)用前景

3.1 關(guān)于重編程的效率問題

卵母細(xì)胞裂解液的濃度和SLO的濃度的確定是影響體細(xì)胞重編程效率的關(guān)鍵因素，卵母細(xì)胞裂解液能夠?qū)⒊衫w維細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞，但是沒有確切的轉(zhuǎn)化率報(bào)道。有文獻(xiàn)報(bào)道細(xì)胞抽提物重編程的最高有效率為90%［22］，但是，由于在后期培養(yǎng)過程中不斷地更換培養(yǎng)液，造成了重編程細(xì)胞的流失，以致無法獲得準(zhǔn)確的比例［23］。因此，需要進(jìn)一步研究如何提高重編程效率和提出簡單有效的計(jì)數(shù)方法。另外，對于卵母細(xì)胞裂解液重編程的作用機(jī)

理尚不明確，對裂解液中存在的有效成分也不了解，從而影響了重編程體系的穩(wěn)定性。未來通過操縱細(xì)胞提取物的成分有望識(shí)別與重編程有關(guān)的細(xì)胞因子，有利于闡明重編程的機(jī)制，提高重編程的效率。

3.2 關(guān)于重編程所得多能干細(xì)胞的安全性問題

iPSCs是一種有望替代ESCs的一類細(xì)胞群，具有和ESCs類似的功能，而且繞開了人類ESCs研究一直面臨的倫理和法律等方面的問題，基于以上兩點(diǎn)，iPSCs成為了近年來干細(xì)胞研究的熱點(diǎn)。但是，令人擔(dān)憂的是，誘導(dǎo)所得多能干細(xì)胞存在著安全隱患。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用體細(xì)胞重編程的方法在體外誘導(dǎo)體細(xì)胞逆轉(zhuǎn)化所得多能干細(xì)胞，具有較高的畸變率和癌變率。由于卵母細(xì)胞裂解液中所含有的重編程物質(zhì)種類齊全、濃度高、含量豐富，在富集濃縮情況下對體細(xì)胞的重編程誘導(dǎo)作用應(yīng)該表現(xiàn)得更加完全，所誘導(dǎo)出現(xiàn)的iPSCs更具有生理性，因此，采用卵母細(xì)胞裂解液重編程體細(xì)胞的方法，有望提高其安全性，成為今后研究的重點(diǎn)。

綜上所述，采用卵母細(xì)胞裂解液重編程體細(xì)胞為多能干細(xì)胞的方法具有許多優(yōu)勢，如卵母細(xì)胞裂解液的制備過程較為簡單、所得裂解液可以保存使用、重編程效率較高、所得iPSCs更具有生理性、可以有效避免毀損胚胎帶來的倫理問題、用于卵母細(xì)胞來源動(dòng)物或人時(shí)能夠降低免疫排斥反應(yīng)、改善克隆性治療安全性。因此，卵母細(xì)胞裂解液介導(dǎo)體細(xì)胞重編程的方法在再生醫(yī)學(xué)、藥物篩選、疾病模型及其發(fā)育生物學(xué)等方面具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Progress on Oocytes Extracts-mediated Derivation of Pluripotent Stem Cells from Somatic Cells

Shen Xinyi Song Kun Yang Lishan Xiao Xiong Zhang Dapeng Yang Bo Li Yuemin
（Chongqing Key Lab of Forage & Herbivore，College of Animal Science and Technology，Southwest University，Chongqing 400715）

Oocytes extracts-mediated derivation of pluripotent stem cells from somatic cells provides a new way for reprogramming. Morphologies, genes, and functions of somatic cells will be changed and somatic cells tend to be reprogrammed into stem cells after in-vitro coincubation with oocytes extracts. The present situation, influence factors, existing problems, and prospects of somatic cells reprogramming using oocytes extracts were described in this review.

Oocytes Oocytes extracts Reprogramming Somatic cells Pluripotent stem cells

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2014.12.004

2014-03-22

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201210635016）

沈心怡，女，碩士研究生，研究方向：臨床獸醫(yī)學(xué)；E-mail：564169219@qq.com

李躍民，男，教授，研究方向：動(dòng)物胚胎工程； E-mail: lymswu@126.com