低氧、表觀遺傳學(xué)及細(xì)胞周期對重編程效率的影響

師淑君，郭春麗，張玉根

（青島黃海學(xué)院護(hù)理學(xué)院，山東 青島 266000）

?綜 述?

低氧、表觀遺傳學(xué)及細(xì)胞周期對重編程效率的影響

師淑君，郭春麗，張玉根

（青島黃海學(xué)院護(hù)理學(xué)院，山東 青島 266000）

在體細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入轉(zhuǎn)錄因子可誘發(fā)體細(xì)胞表觀基因改變，從而使細(xì)胞的性質(zhì)發(fā)生改變，該過程稱為細(xì)胞重編程。低氧微環(huán)境可以誘導(dǎo)核心轉(zhuǎn)錄因子的激活，啟動細(xì)胞重編程的過程，并引起細(xì)胞內(nèi)多種基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)發(fā)生變化。表觀遺傳水平的調(diào)控機(jī)制在細(xì)胞重編程過程中也起到了至關(guān)重要的作用，DNA 甲基化是基因組主要的表觀遺傳修飾方式之一，并且DNA甲基化與細(xì)胞周期之間也有密切關(guān)系，適當(dāng)?shù)募涌旒?xì)胞周期的速度可以顯著提高細(xì)胞重編程的效率。低氧微環(huán)境、表觀遺傳學(xué)及細(xì)胞周期與體細(xì)胞重編程之間存在怎樣的相互聯(lián)系與影響，本文對其進(jìn)行了綜述。

細(xì)胞重編程；低氧微環(huán)境；表觀遺傳學(xué)；細(xì)胞周期

1 概 述

特定的轉(zhuǎn)錄因子組合可以使一種類型的體細(xì)胞直接重編程為另一種類型的體細(xì)胞，這兩種細(xì)胞可以來自不同的胚層。直接重編程的過程中不經(jīng)過產(chǎn)生前體細(xì)胞階段，也可以不經(jīng)過細(xì)胞分裂，比誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSc）重編程的過程更迅速。研究證明低氧微環(huán)境可以提高iPSc的生成效率，激活核心轉(zhuǎn)錄因子，啟動重編程過程，促使體細(xì)胞去分化成為未分化的干細(xì)胞[1]。適宜的低氧環(huán)境可以調(diào)控細(xì)胞的增殖和分化，細(xì)胞增殖受細(xì)胞周期的調(diào)控，在細(xì)胞周期內(nèi)G1-S期及G2-M期對細(xì)胞的增殖影響最大，這兩個(gè)階段的細(xì)胞處于活躍的分子水平變化階段， 很容易受外界環(huán)境的影響，如果能夠進(jìn)行人為干預(yù)，將對深入了解生物的生長發(fā)育，控制腫瘤生長等有重要意義。表觀遺傳對干細(xì)胞多能性的維持有關(guān)鍵作用，重編程過程中體細(xì)胞內(nèi)的基因組甲基化模式會發(fā)生改變，甲基化模式的改變能夠影響細(xì)胞重編程的進(jìn)程。研究細(xì)胞直接重編程可以為臨床細(xì)胞治療提供了一個(gè)新的方法。

2 重編程與低氧微環(huán)境

細(xì)胞內(nèi)的微環(huán)境受多種因素的控制，如溫度和氧張力，對細(xì)胞功能和分化有很大影響，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的自我更新和分化。研究證實(shí)，氧張力降低能夠刺激細(xì)胞的自我更新。哺乳動物胚胎發(fā)育過程中，外胚層存在一個(gè)生理上的低氧環(huán)境，低氧可以提高神經(jīng)干細(xì)胞和造血干細(xì)胞的存活率。Yamanaka 等人發(fā)現(xiàn)低氧微環(huán)境作為一個(gè)刺激源可以使干細(xì)胞聚集，實(shí)驗(yàn)中，將培養(yǎng)成纖維細(xì)胞的氧濃度降低到2%～5%可大幅度提高iPS的生成效率。Wang等人[2]通過研究證明適宜的低氧微環(huán)境可以提高小鼠皮膚成纖維細(xì)胞直接重編程為心肌細(xì)胞的效率，誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞可表達(dá)心肌特異蛋白，與對照組相比，2%低氧微環(huán)境下誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞表達(dá)量更高。適宜的低氧還可以最大限度的減少氧化引起的細(xì)胞損傷。臨床上，低氧可以引起多種病理變化，但也會使體細(xì)胞內(nèi)多種基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)發(fā)生變化，這些基因產(chǎn)生的生物活性蛋白，可使細(xì)胞更好的適應(yīng)低氧環(huán)境，有利于細(xì)胞的生存[3]。

細(xì)胞重編程過程中，會關(guān)閉原本的需氧型葡萄糖代謝通路，轉(zhuǎn)而使用不需氧的糖酵解。研究癌組織的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞與干細(xì)胞在許多方面都很類似，當(dāng)正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘?xì)胞時(shí)，也會通過糖酵解獲取能量。華盛頓大學(xué)的科學(xué)家們[4]研究證實(shí)低氧誘導(dǎo)因子能夠影響大量基因的調(diào)控，從而顯著改變細(xì)胞的行為。低氧條件還可以激活成纖維細(xì)胞中 Oct4 的表達(dá)，其表達(dá)趨勢與低氧誘導(dǎo)因子的表達(dá)趨勢是一致的[5]，OCT4是重編程過程中形成多能性細(xì)胞不可或缺的一種基因，低氧微環(huán)境可提高重編程的效率是否與OCT4 的表達(dá)有關(guān)還有待進(jìn)一步研究。

3 重編程與表觀遺傳學(xué)

Reik等人提出個(gè)體生長發(fā)育的過程實(shí)際上就是表觀遺傳學(xué)發(fā)揮作用的過 程。在干細(xì)胞階段，表觀遺傳調(diào)控了一系列與細(xì)胞分化和發(fā)育成熟相關(guān)的基因，發(fā)育過程中細(xì)胞的分化通常是單向的、不可逆的，但是這個(gè)過程可以被重新編程而發(fā)生改變?；虮磉_(dá)受到兩類蛋白的共同控制：轉(zhuǎn)錄因子和表觀遺傳調(diào)控因子。轉(zhuǎn)錄因子可以直接結(jié)合到DNA 上發(fā)揮作用，而表觀遺傳調(diào)控因子卻以各種方式來影響基因的表達(dá)。Doege 等發(fā)現(xiàn)了兩種表觀遺傳調(diào)控因子，Parp1 和 Tet2 刺激了成纖維細(xì)胞內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)的多能基因的表達(dá)，由此啟動了這些細(xì)胞重編程為 iPSCs。內(nèi)源性Parp1和Tet2都是重編程的必要條件，如果任何一個(gè)被消除，iPSC形成就會完全失敗。這一發(fā)現(xiàn)表明重編程轉(zhuǎn)錄因子直至與內(nèi)源性表觀遺傳調(diào)控因子協(xié)同作用，才能有效地結(jié)合和喚醒它們的靶基因。

DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)研究的重要內(nèi)容，要讓體細(xì)胞重新恢復(fù)到未分化的狀態(tài)需要解決的一個(gè)重要難題就是DNA甲基化的問題。Mikuelsen等人在研究重編程機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)， 影響細(xì)胞重編程效率的主要原因是細(xì)胞重編程過程中與分化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的抑制是否完全；DNA的去甲基化是否完全。通過沉默特定的轉(zhuǎn)錄因子或者使用 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑影響表觀遺傳學(xué)改變，都可以有效提高細(xì)胞重編程的效率。

4 重編程與細(xì)胞周期

細(xì)胞的分裂增殖離不開細(xì)胞周期的運(yùn)作，在這一過程中，細(xì)胞會復(fù)制其遺傳物質(zhì)并均等地分配給兩個(gè)子細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)利用血清饑餓的方法使細(xì)胞周期同步化可以有效提高重編程的效率。眾所周知，低氧微環(huán)境可以影響細(xì)胞周期，促進(jìn)或抑制多種細(xì)胞的增殖，影響基因的表達(dá)，低氧條件下細(xì)胞重編程效率得到提高的機(jī)制是否與細(xì)胞周期受到影響有關(guān)，目前并沒有相關(guān)研究。

細(xì)胞周期是表觀遺傳重編程至多潛能的關(guān)鍵參數(shù)，細(xì)胞周期快速增值率是重編程過程中的早期事件，加速細(xì)胞分裂能擴(kuò)增靶細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子，這樣每個(gè)子代細(xì)胞都能獲得轉(zhuǎn)變成多潛能細(xì)胞的可能性，胚胎細(xì)胞的細(xì)胞周期運(yùn)行速度很快，在一些成熟的體細(xì)胞中細(xì)胞周期的速度比較慢，而在神經(jīng)元這樣的永久細(xì)胞中細(xì)胞周期幾乎完全不運(yùn)行，處在生長發(fā)育中的細(xì)胞如果細(xì)胞周期停滯，就會導(dǎo)致細(xì)胞的死亡，如果成熟細(xì)胞中細(xì)胞周期不能正常運(yùn)行，則會產(chǎn)生腫瘤。2014 年耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員確定了細(xì)胞周期與細(xì)胞重編程之間也有密切聯(lián)系，細(xì)胞周期的速度是將細(xì)胞逆轉(zhuǎn)多能狀態(tài)的主要障礙。當(dāng)細(xì)胞周期加速到一定程度時(shí)，細(xì)胞很容易被改變成為多能細(xì)胞。

5 結(jié)語與展望

激活內(nèi)源多潛能性相關(guān)基因和表觀遺傳改變是完成重編程的重要標(biāo)志[6]。高度甲基化的細(xì)胞很難實(shí)現(xiàn)重新編程，因此DNA 去甲基化可以提高重編程的效率。低氧微環(huán)境作為一個(gè)影響機(jī)體生長、發(fā)育的重要外界因素，可以影響細(xì)胞周期，同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞 DNA 去甲基化，有效提高重編程的效率。表觀遺傳的改變基于細(xì)胞周期內(nèi)各基因表達(dá)的變化，鑒于表觀遺傳機(jī)制在重編程過程中的關(guān)鍵作用，我們需要更加深入的研究影響表觀遺傳修飾的內(nèi)在和外在因素，確定哪些轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)在表觀遺傳學(xué)上是穩(wěn)定的，幫助我們更好的理解重編程過程的發(fā)生機(jī)制，從而為臨床細(xì)胞治療應(yīng)用提供理論依據(jù)。

[1] 彭正軍,劉 路,凌均棨.細(xì)胞重編程及其影響因素.國際口腔醫(yī)學(xué)雜志.2014;41(3):300-303.

[2] WangY,Shi S,Liu H,et al.Hypoxia enhances direct reprogramming of mouse fibroblasts to cardiomyocyte-like cells. Cell reprogramming, 2016; 18(1):1-7.

[3] 師淑君,劉慧雯.低氧誘導(dǎo)因子-1對機(jī)體氧分壓水平調(diào)節(jié)的研究進(jìn)展.解剖科學(xué)進(jìn)展.2013,19(5):451-453,457.

[4] Mathieu J,Zhou W,Xing Y,et al. Hypoxia-inducible factors have distinct and stage-specifc roles during reprogramming of human cells to pluripotency. Cell Stem Cell.2014;14(5):592-605.

[5] 師淑君,王艷艷,劉慧雯.低氧微環(huán)境對小鼠皮膚成纖維細(xì)胞 HIF-1、Oct4、Uhrf1表達(dá)的影響.解剖科學(xué)進(jìn)展.2015;21(6):569-572.

[6] Jun C,Wei GY,Yu CJ,et al.Remodeling of Epigenetic Landscape During Induced Somatic Cell Reprogramming[J].Progress in Biochemistry and Biophysics,2015;42(11): 1054-1062.

本文編輯：李 豆

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ISSN.2095-8242.2017.05.973.02