低氧、表觀遺傳學及細胞周期對重編程效率的影響

師淑君，郭春麗，張玉根

（青島黃海學院護理學院，山東 青島 266000）

?綜 述?

低氧、表觀遺傳學及細胞周期對重編程效率的影響

師淑君，郭春麗，張玉根

（青島黃海學院護理學院，山東 青島 266000）

在體細胞內導入轉錄因子可誘發體細胞表觀基因改變，從而使細胞的性質發生改變，該過程稱為細胞重編程。低氧微環境可以誘導核心轉錄因子的激活，啟動細胞重編程的過程，并引起細胞內多種基因的轉錄和表達發生變化。表觀遺傳水平的調控機制在細胞重編程過程中也起到了至關重要的作用，DNA 甲基化是基因組主要的表觀遺傳修飾方式之一，并且DNA甲基化與細胞周期之間也有密切關系，適當的加快細胞周期的速度可以顯著提高細胞重編程的效率。低氧微環境、表觀遺傳學及細胞周期與體細胞重編程之間存在怎樣的相互聯系與影響，本文對其進行了綜述。

細胞重編程；低氧微環境；表觀遺傳學；細胞周期

1 概 述

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

2 重編程與低氧微環境

細胞內的微環境受多種因素的控制，如溫度和氧張力，對細胞功能和分化有很大影響，從而調節細胞的自我更新和分化。研究證實，氧張力降低能夠刺激細胞的自我更新。哺乳動物胚胎發育過程中，外胚層存在一個生理上的低氧環境，低氧可以提高神經干細胞和造血干細胞的存活率。Yamanaka 等人發現低氧微環境作為一個刺激源可以使干細胞聚集，實驗中，將培養成纖維細胞的氧濃度降低到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境可以提高小鼠皮膚成纖維細胞直接重編程為心肌細胞的效率，誘導的心肌細胞可表達心肌特異蛋白，與對照組相比，2%低氧微環境下誘導的心肌細胞表達量更高。適宜的低氧還可以最大限度的減少氧化引起的細胞損傷。臨床上，低氧可以引起多種病理變化，但也會使體細胞內多種基因的轉錄和表達發生變化，這些基因產生的生物活性蛋白，可使細胞更好的適應低氧環境，有利于細胞的生存[3]。

細胞重編程過程中，會關閉原本的需氧型葡萄糖代謝通路，轉而使用不需氧的糖酵解。研究癌組織的科學家發現癌細胞與干細胞在許多方面都很類似，當正常細胞轉變為癌細胞時，也會通過糖酵解獲取能量。華盛頓大學的科學家們[4]研究證實低氧誘導因子能夠影響大量基因的調控，從而顯著改變細胞的行為。低氧條件還可以激活成纖維細胞中 Oct4 的表達，其表達趨勢與低氧誘導因子的表達趨勢是一致的[5]，OCT4是重編程過程中形成多能性細胞不可或缺的一種基因，低氧微環境可提高重編程的效率是否與OCT4 的表達有關還有待進一步研究。

3 重編程與表觀遺傳學

Reik等人提出個體生長發育的過程實際上就是表觀遺傳學發揮作用的過 程。在干細胞階段，表觀遺傳調控了一系列與細胞分化和發育成熟相關的基因，發育過程中細胞的分化通常是單向的、不可逆的，但是這個過程可以被重新編程而發生改變。基因表達受到兩類蛋白的共同控制：轉錄因子和表觀遺傳調控因子。轉錄因子可以直接結合到DNA 上發揮作用，而表觀遺傳調控因子卻以各種方式來影響基因的表達。Doege 等發現了兩種表觀遺傳調控因子，Parp1 和 Tet2 刺激了成纖維細胞內處于靜止狀態的多能基因的表達，由此啟動了這些細胞重編程為 iPSCs。內源性Parp1和Tet2都是重編程的必要條件，如果任何一個被消除，iPSC形成就會完全失敗。這一發現表明重編程轉錄因子直至與內源性表觀遺傳調控因子協同作用，才能有效地結合和喚醒它們的靶基因。

DNA甲基化是表觀遺傳學研究的重要內容，要讓體細胞重新恢復到未分化的狀態需要解決的一個重要難題就是DNA甲基化的問題。Mikuelsen等人在研究重編程機制時發現， 影響細胞重編程效率的主要原因是細胞重編程過程中與分化相關的轉錄因子的抑制是否完全；DNA的去甲基化是否完全。通過沉默特定的轉錄因子或者使用 DNA 甲基轉移酶抑制劑影響表觀遺傳學改變，都可以有效提高細胞重編程的效率。

4 重編程與細胞周期

細胞的分裂增殖離不開細胞周期的運作，在這一過程中，細胞會復制其遺傳物質并均等地分配給兩個子細胞。研究發現利用血清饑餓的方法使細胞周期同步化可以有效提高重編程的效率。眾所周知，低氧微環境可以影響細胞周期，促進或抑制多種細胞的增殖，影響基因的表達，低氧條件下細胞重編程效率得到提高的機制是否與細胞周期受到影響有關，目前并沒有相關研究。

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

5 結語與展望

激活內源多潛能性相關基因和表觀遺傳改變是完成重編程的重要標志[6]。高度甲基化的細胞很難實現重新編程，因此DNA 去甲基化可以提高重編程的效率。低氧微環境作為一個影響機體生長、發育的重要外界因素，可以影響細胞周期，同時促進細胞 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胞周期內各基因表達的變化，鑒于表觀遺傳機制在重編程過程中的關鍵作用，我們需要更加深入的研究影響表觀遺傳修飾的內在和外在因素，確定哪些轉錄調節在表觀遺傳學上是穩定的，幫助我們更好的理解重編程過程的發生機制，從而為臨床細胞治療應用提供理論依據。

[1] 彭正軍,劉 路,凌均棨.細胞重編程及其影響因素.國際口腔醫學雜志.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.低氧誘導因子-1對機體氧分壓水平調節的研究進展.解剖科學進展.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.低氧微環境對小鼠皮膚成纖維細胞 HIF-1、Oct4、Uhrf1表達的影響.解剖科學進展.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