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近年来,诱导多能性干细胞(iPS细胞)已被证明具有类似于胚胎干细胞的自我更新和分化能力,并且不受伦理的束缚,有望成为未来治疗人类疾病的新方法,但对于由Oct4、Klf4、Sox2、c-Myc(OKSM)诱导形成iPS细胞的机理研究甚少。诱导重编程是一个效率较低,而且耗时很长的过程,因此研究重编程过程中具体有哪些限速步骤,及阐明其调控机理显得十分重要,在本学位论文的研究中,我们便侧重地研究了发生在重编程动态过程中间阶段的调控机理。
在第一部分,我们以形态类似于iPS细胞、但其多能性调控网络尚未建立的部分重编程细胞—pre-iPS细胞作为细胞模型,研究其重编程受到抑制的分子机制,从而实现高效高质的体细胞重编程。前期研究发现培养及血清中的骨形成蛋白(Bone morphogenetic protein, BMPs)导致了体细胞在OKSM介导的重编程过程中形成大量pre-iPS细胞,我们通过一系列实验证实BMPS通过调节H3K9甲基化酶使多能性基因的调控位点发生H3K9me3修饰从而异染色质化,导致多能性无法激活。后续工作证明H3K9甲基化是pre-iPS细胞的主要表观遗传特性,去除后有利于pre-iPS细胞的继续重编程,而且鉴定到组蛋白H3第九位赖氨酸(H3K9)甲基化酶Eset是OKSM诱导iPS细胞过程中的主要路障,干扰掉Eset后pre-iPS细胞迅速转换成为真正的iPS细胞。结果不仅说明了pre-iPS细胞是重编程道路上表观遗传特性稳定的细胞株,而且表明了表观遗传学对重编程过程中的细胞命运决定起着非常重要的作用。
第二部分,我们阐述了iPS细胞的新诱导方法,即有序的加入四种转录因子可以有效地提高重编程效率(例如OK+M+S)。我们发现在重编程的起始阶段,在MET之前会发生很短的EMT过程,而这个过程对体细胞的最终重编程有影响。通过这种诱导方法的机理研究表明,Oct4通过上调Slug,下调E-cadherin表达,促进早期EMT过程,从而有利于iPS细胞产生。同时Tgfβ短暂处理引起的EMT效应可以促进OKSM的体细胞重编程效率,证明了最早期发生的EMT对体细胞重编程的重要影响。
经过对诱导重编程中间状态的研究,表明了表观遗传学修饰以及EMT、MET对Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc介导的体细胞重编程有着非常重要的作用。透彻地研究iPS细胞形成原因,破除iPS细胞产生障碍,提高iPS细胞产生效率有助于其应用于临床研究,为再生医学领域提供新的治疗举措。