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iPS细胞的制备方法

2022.9.02

最初由山中伸弥团队发现的iPS细胞制备(诱导)方法是以通过慢病毒载体转入数个转录因子为核心,在导入四种转录因子后,小鼠的成纤维细胞经过一定时间就会转变为状态类似于胚胎干细胞的iPS细胞。

使用这种方法制备iPS细胞,首先需要一个特殊的转基因小鼠品系。这种转基因小鼠的Fbx15基因下游转入了一个βgeo元件。该元件由β-半乳糖苷酶基因和新霉素抗性基因(NeoR)融合而成。如果基因表达环境与胚胎干细胞相似,Fbx15基因就会表达。而在一般的成体细胞中,Fbx15基因表达处于关闭状态。对这种品系的转基因小鼠来说,细胞如果处于一种与胚胎干细胞相似的状态,Fbx15基因下游的βgeo元件也随Fbx15基因会一同表达,βgeo元件中的NeoR基因会使这种细胞获得对药物G-418的抗性,而一般的体细胞仍然对G-418敏感。加入G-418后,对G-418敏感的成体细胞会死亡,而与胚胎干细胞状态相似的细胞因具有G-418抗性,会在筛选中存活[1][12]。

后续实验用到的小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)或尾尖成纤维细胞(TTF)均来自上述的转基因小鼠品系。在得到该品系小鼠的成纤维细胞后,需要制备分别含有Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4基因的四种慢病毒载体。之后,再用这四种慢病毒载体感染成纤维细胞。用于实验的成纤维细胞已与有G-418抗性的胚胎干细胞饲养层细胞混合,以维持可能会在后续实验中产生的iPS细胞的干性。如果感染成功,这四种基因就会在成体细胞中表达。感染后,需要将细胞培养基更换为含有G-418的胚胎干细胞培养基。细胞如果回到类似胚胎干细胞的状态,会因NeoR基因的表达于含G-418的培养基中存活,而未回到类似胚胎干细胞状态的成纤维细胞会死亡。饲养层细胞因带有G-418抗性,也会在这个过程中存活。经过7天左右,可以观察到有细胞形成类似胚胎干细胞的细胞集落,这些细胞就是诱导产生的iPS细胞。再经过一段时间的生长,待细胞集落足够大时,即可挑选合适的集落进行转移,经过多代培养后形成稳定的iPS细胞系。

在山中伸弥于2006年发表关于iPS诱导技术的文章后,2007年,研究人员成功将iPS技术应用于人成体细胞,制得人源性的iPS细胞,方法与山中伸弥团队的制备方法有少许不同。其后,研究人员又先后成功制备了山羊、绵羊、大鼠、猪、猫、兔、狗、狼等哺乳动物的iPS细胞[4]。同时,亦发现除成纤维细胞外,其他类型的成体细胞以及成体干细胞均可以重编程为iPS细胞。不过,不同细胞重编程到iPS细胞的效率存在差异。一般来说,分化程度越低的细胞越容易被重编程为iPS细胞。同时,研究人员也对重编程的方法进行了一定改良。比如,已有使用腺相关病毒载体感染、质粒载体转染、脂质粒转入等非基因组整合技术为核心的重编程方法。亦有研究表明,只通过转入特定miRNA(微干扰RNA)就可以使细胞重编程为iPS细胞。将成体细胞与胚胎干细胞的细胞质融合,也可以使其重编程为iPS细胞。只通过加入多种小分子药物的混合物,亦可达到将成体细胞重编程为iPS细胞的目的。一些实验结果表明,通过改变转入的转录因子等方法,可以在一定程度上提高iPS的重编程效率。


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