众所周知，表观遗传学、遗传学的异常改变所引起的癌基因重激活和过表达，会导致正常组织细胞向肿瘤干细胞（cancer stem cells，CSCs；亦称肿瘤起始细胞，tumor-initiating cells，TICs）的转变，在获得干性（stemness）和自我更新能力的同时，亦拥有了很高的致瘤性。大量的研究表明，肿瘤干细胞在恶性肿瘤的发生、发展、转移、复发和耐药性中发挥着至关重要的作用。2006年，Yamanaka等人在干细胞研究领域开创了一个新的里程碑，他们用四种外源性因子（c-Myc、Nanog、Oct4和Klf4）转染分化的成纤维细胞，成功地诱导产生了诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs），这种多能干细胞显示出在临床再生医学领域的广阔应用前景。然而，与CSCs类似的是，iPSCs也具有较高的致瘤性，这一点极大地阻碍了其在临床干细胞治疗方面的应用。CSCs、iPSCs和胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESCs）都具有干性和自我更新能力。在正常生理情况下，ESCs没有致瘤性，而iPSCs却能够致瘤。除了上述四种Yamanaka因子外，iPSCs中是否还有其他致瘤基因被激活，是目前亟需解决的一个科学问题。此外，iPSCs诱导分化的细胞是否还存在过表达的致瘤基因和潜在的致瘤性，则是另一个需要解答的科学问题。现代组学层次的高通量技术在iPSCs、CSCs和ESCs研究领域中的广泛运用，产生了成千上万的基因表达谱数据（gene expression profile data，GEPD），并存放于公开的数据库中；其中绝大多数数据只是进行了统计分析，其生物学意义尚未阐明。这些海量的数据为阐明iPSCs和CSCs中的致瘤基因及其作用机制，提供了一个很好的契机。本研究旨在利用生物信息学分析，从浩瀚的iPSCs、CSCs和ESCs的基因表达谱数据中，揭示iPSCs及其诱导分化细胞中共表达的一致基因（consensusgenes）及其潜在的致瘤性，并阐明iPSCs的致瘤机制，也为今后iPSCs及其诱导分化衍生物在临床干细胞治疗方面的安全使用的提供新的策略和警示。首先，根据大家公认的生物信息学工具和计算方法，建立了一个大规模基因表达谱的整合分析平台，主要包括六个功能模块：GEPD标准化、基因筛选和交集分析、基因富集分析、功能注释、蛋白质-蛋白质相互作用，以及基因组织特异性表达数据库和PubMed文献数据库的深度挖掘。利用该平台，分别对CSCs相关的14组基因表达谱（含100张芯片数据）、ESCs相关的28组GEPD（含103张芯片数据）、以及iPSCs相关的28组GEPD（含466张芯片数据），分别进行整合与对比分析，揭示iPSC致瘤基因并阐明其生物学意义。我们首先对CSCs和ESCs的基因表达谱数据进行了整合与对比分析，分别揭示了2344个共同上调于CSCs的基因和4062个在ESCs中共同高表达的基因，这将用来与iPSCs进行对比分析，以便区分正常干性相关基因和致瘤相关基因。值得注意的是，2344个CSC一致基因中，含有14个癌基因，包括FOSB、FGR、RAB25、RAB33A、RAB38、RAB3A、RAP2A、RAP2B、KIT、SPI1、ERBB4、FOS、MAFF和BRAF。CSCs在激活正常干细胞信号通路（Wnt、Hedgehog、Notch）的同时，也激活了肿瘤相关通路。有三个参与凋亡负调控的基因（ALB、INS、ANXA1）竟然是其相互作用网络中的重要节点。这些发现有助于阐明CSCs在肿瘤起始、发展和耐药性中的作用机理。另外，我们利用该平台对更多的恶性肿瘤相关的转录组数据进行了分析，鉴别出4143个初步候选基因，通过功能注释和文献调研，候选基因被减少到314个；进一步使用逆转录PCR（RT-PCR）技术进行验证，检测这314个基因在62种不同的人类肿瘤细胞株和16种正常的人组织中的表达；历经近两年的努力，最终揭示出17个与CSCs和恶性肿瘤相关的新的肿瘤特异性基因。这17个基因不在正常人组织中表达（睾丸除外），而在多种肿瘤细胞株中表达，提示其肿瘤特异性。这些生物信息学分析和初步实验验证结果，为本研究室深入开展致瘤基因和恶性肿瘤发生的研究提供了有用的参考信息。尽管iPSCs在干细胞治疗方面展现了广阔的应用前景；然而，iPSCs的高致瘤性成为其在临床再生医学领域中应用的最大障碍；迄今为止，除了上述四个Yamanaka因子之外，iPSCs中致瘤基因尚未见系统性的研究报道。为了探讨iPSCs的致瘤性机制，我们利用上述整合分析平台，着重对源自11种不同分化细胞的iPSCs相关的28组基因表达谱数据，进行了整合分析，揭示了593个在iPSCs中高表达超过正常父本分化细胞10倍的iPSC一致基因，值得注意的是，其中有85个基因在iPSCs中的表达水平比正常父本分化细胞高100倍以上。令人惊讶的是，这593个iPSC一致基因中，有209个在多种人的肿瘤细胞株和恶性肿瘤组织中表达；值得关注的是，其中有5个经典的癌基因（RAC3、RAB25、PIM2、MYBL和TET1）在iPSCs中过表达。这些iPSCs一致基因的发现，为揭示iPSCs的致瘤性提供了新的证据。此外，GO注释深度分析表明，593个iPSC一致基因主要参与代谢过程、物质运输、信号传导、基因转录、细胞周期、增殖、分化和凋亡等生物学过程；细胞定位分析显示，这些iPSC一致基因主要是膜相关蛋白，暗示iPSCs活跃的细胞内外信号传导。KEGG通路注释揭示，干性相关的Wnt和Hedgehog信号通路中的9个基因被激活；其他被激活的信号通路包括MAPK、Calcium和Chemokine等；这些被激活的信号通路相关基因中有9个是已知致瘤相关基因，暗示这些基因的激活与iPSCs的干性及其诱发的肿瘤发生有关。目前，许多研究者将iPSCs作为干细胞的种子细胞，通过诱导分化形成功能性的分化细胞，应用于干细胞治疗，并期望iPSC诱导分化后的细胞没有致瘤性。然而，我们的生物信息学分析结果揭示，在iPSC诱导分化的肝细胞中仍然有27个iPSC一致基因异常高表达，值得注意的是，其中有一个癌基因RAB25，提示这些iPSC一致基因与肿瘤发生风险和恶性肿瘤之间相互关联，以及iPSCs分化后仍然具有潜在的致瘤风险。此外，许多研究者正试图使用小分子化合物代替经典的Yamanaka因子来制备可能更安全的iPSCs。我们的研究结果显示，由小分子化合物诱导产生的iPSCs依然异常高表达153个iPSCs一致基因，其中包括两个经典的癌基因PIM2和RAC3，提示由小分子诱导产生的iPSCs的致瘤风险仍然无法消除。综上所述，本研究揭示了iPSCs中异常高表达593个iPSC一致基因，其中209个基因与临床研究肿瘤报道的肿瘤发生密切相关。iPSCs诱导分化的细胞和小分子化合物诱导产生的iPSCs仍有致瘤基因高表达，具有潜在的致瘤风险。这些研究成果为制定新的策略和方法，阻止iPSCs中致瘤基因的表达，生产安全的iPSCs及其衍生物以用于临床干细胞治疗，提供了非常有用的参考信息；同时，也为将来的iPSCs和CSCs中致瘤基因及其作用机制研究拓展了新的思路。