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Cell Reports:人工合成Oct4更加有效地维持干细胞和重编程体细胞

来源:生物谷 2012-02-21 23:26

科学家通过放大一种必需的蛋白质Oct4产生的效应而发现一种更加有效地产生和维持干细胞的方法。

来自丹麦、苏格兰和美国的研究人员创建出一种蛋白Oct4的人工合成版本,当用它们操纵诸如皮肤细胞之类的成体细胞(adult cell)时,这些细胞随后能够逆转为一种更早的类似胚胎的状态。这些发生逆转的细胞有潜力变成体内任何细胞。这些研究结果发表在Cell Reports期刊上。

就像将成体细胞能够逆转到这种状态---已知为诱导性多功能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)---一样,这种蛋白在维持纯的胚胎干细胞中也发挥着关键性作用。如果这种蛋白Oct4不存在时,胚胎干细胞将开始分化为特定细胞。

为了重编程成体细胞为有干细胞性质的细胞,科学家需要将病毒加入到细胞培养物中触发大量Oct4产生。

Oct4也在调节干细胞基因中发挥着主要作用。然而,尽管需要大量Oct4,但是它过量产生能够破坏干细胞性质。

科学家能够通过产生一种人工合成的Oct4蛋白版本来放大这种蛋白以自然形式存在时所发挥的效应,从而解决了这种问题。

人工合成的Oct4蛋白版本在开启指导细胞如何成为干细胞的基因中更加有效率,因而细胞不需要太多的Oct4来进行重编程成体细胞或者维持干细胞状态,因而消除Oct4太多导致的问题。

事实上,人工合成Oct4在干细胞通常不能生长的条件下能够支持它们生长。这些发现也能够有助于科学家在实验室中发现产生干细胞的新方法。

这项研究显示Oct4主要负责开启指导细胞如何成为干细胞的基因,而不是开闭促进干细胞分化的基因。

该论文通讯作者Joshua Brickman教授说,“我们的发现是找到更加有效地产生和维持干细胞的方法的一个重要的步骤。”

他说,“胚胎干细胞的特征在于它们能够让自己永久生存,同时能够分化为体内所有细胞类型。但是为了能够在医学上使用它们,我们需要能够将它们维持在纯状态,直到它们需要发生分化。当我们想要将干细胞变成一种特定细胞时,如产生胰岛素的β细胞或者大脑中的神经细胞,我们需要这种过程准确地和有效地发生。如果我们不能理解如何维持干细胞,那么这是不可能实现的。除了更加有效地维持胚胎干细胞在纯状态,人工合成Oct4也更加有效地重编程成体细胞为所谓的诱导性多功能干细胞,其中诱导性多功能干细胞拥有很多与胚胎干细胞相同的特征,但是能够从病人中获得从而有助于研究退化性疾病以及最终治疗它们。”

Oct4是一种转录因子,即一种结合到特异性DNA序列的蛋白,因而能够控制遗传信息从DNA流向mRNA。这种人工合成Oct4是通过使用重组DNA技术构建的,利用该技术修饰一种基因产生新的和更加有活性的蛋白。这种修饰的基因要么导入到干细胞中,要么用来重编程成体皮肤细胞。

如果科学家能够利用这种人工合成Oct4重编程成体细胞为干细胞,那么它将改善直接从病人中产生干细胞的能力。这些干细胞接着能够潜在性地用于个人化研究和开发治疗诸如I型糖尿病和神经退化性疾病之类的疾病的个人化疗法。

这项研究使用小鼠胚胎干细胞、青蛙早期胚胎祖细胞与来自小鼠和人的诱导性多功能干细胞作为研究对象。它得到德国诺和诺德基金会(Novo Nordisk Foundation)、英国医学研究委员会(Medical Reseach Council)和英国生物技术与生物科学研究委员会(Biotechnology and Biological Sciences Research Council)的资金资助。(生物谷:towersimper编译)

Transcriptional Activation by Oct4 Is Sufficient for the Maintenance and Induction of Pluripotency

Fella Hammachi, Gillian M. Morrison, Alexei A. Sharov, Alessandra Livigni, Santosh Narayan, Eirini P. Papapetrou, James O'Malley, Keisuke Kaji, Minoru S.H. Ko, Mark Ptashne, Joshua M. Brickman

Oct4 is an essential regulator of pluripotency in vivo and in vitro in embryonic stem cells, as well as a key mediator of the reprogramming of somatic cells into induced pluripotent stem cells. It is not known whether activation and/or repression of specific genes by Oct4 is relevant to these functions. Here, we show that fusion proteins containing the coding sequence of Oct4 or Xlpou91 (the Xenopus homolog of Oct4) fused to activating regions, but not those fused to repressing regions, behave as Oct4, suppressing differentiation and promoting maintenance of undifferentiated phenotypes in vivo and in vitro. An Oct4 activation domain fusion supported embryonic stem cell self-renewal in vitro at lower concentrations than that required for Oct4 while alleviating the ordinary requirement for the cytokine LIF. At still lower levels of the fusion, LIF dependence was restored. We conclude that the necessary and sufficient function of Oct4 in promoting pluripotency is to activate specific target genes.

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