曹明君, 董煥生, 潘慶杰, 王紅軍, 董曉

1. 青島農(nóng)業(yè)大學動物科技學院, 青島 266109;

2. 美國南卡萊羅那醫(yī)學院, 美國查爾斯頓 29425;

3. 青島農(nóng)業(yè)大學生命科學學院, 青島 266109

胰腺早期發(fā)育及終末分化細胞重編程為胰島β細胞的研究進展

曹明君1, 董煥生2, 潘慶杰1, 王紅軍1, 董曉3

1. 青島農(nóng)業(yè)大學動物科技學院, 青島 266109;

2. 美國南卡萊羅那醫(yī)學院, 美國查爾斯頓 29425;

3. 青島農(nóng)業(yè)大學生命科學學院, 青島 266109

1型糖尿病是一種由于自體免疫細胞破壞分泌胰島素的β細胞而引起胰島素絕對缺乏的自體免疫病。疾病患者需要依靠外源性途徑來補給胰島素, 但胰島素注射治療不能根治病癥, 也不能有效地預(yù)防糖尿病并發(fā)癥。多能性干細胞以及體細胞重編程產(chǎn)生胰島素分泌細胞為根治1型糖尿病提供了可能。編程性的細胞能被用來進行移植治療和藥物篩選, 為1型糖尿病的治療帶來了新的希望。當前, 通過相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子重編程終末分化細胞為胰島β細胞已經(jīng)取得了很大進展。文章對胰腺早期發(fā)育、胰腺相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子及目前利用終末分化細胞重編程產(chǎn)生胰島β細胞的研究內(nèi)容進行了綜述。

糖尿病; 胰島β細胞; 胰腺相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子; 重編程

1型糖尿病患者由于自身免疫反應(yīng), 造成體內(nèi)胰島β細胞嚴重破壞和功能衰竭, 導致胰島素分泌絕對缺乏, 需長期使用胰島素治療, 但易出現(xiàn)低血糖等不良反應(yīng)。目前認為胰島細胞移植是治療 1型糖尿病最有效的方法之一, 然而, 由于存在免疫排斥及供體不足等問題, 移植胰島細胞方法一直未能廣泛應(yīng)用于臨床。為了能獲得功能性胰島β細胞, 研究人員進行了大量研究, 提出了多種研究途徑, 主要包括：(1)通過誘導體內(nèi)存有的胰島β細胞進行增殖; (2)通過誘導多能干細胞(ESC/iPSC)分化為胰島β細胞; (3)通過終末分化細胞重編程為胰島 β細胞來提供功能性細胞(圖1)。其中細胞重編程在誘導終末分化細胞產(chǎn)生胰島β樣細胞(胰島β細胞)方面呈現(xiàn)了新的生機活力, 為治療 1型糖尿病帶來了新希望。另外, 通過自身終末分化細胞重編程得到的胰島素分泌細胞再移植來治療疾病能有效避免免疫排斥反應(yīng), 使得這一研究更具有重要意義。為此, 本文就胰腺早期發(fā)育、胰腺發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子及近年來終末分化細胞重編程為胰島β細胞的相關(guān)研究進行了綜述, 以期使終末分化細胞重編程性的研究內(nèi)容更加系統(tǒng)化, 對具體的分化實驗進行理論指導。

1 胰腺早期發(fā)育

1.1 胰腺來源及早期發(fā)育的相關(guān)研究

小鼠(Mus musculus)胰腺產(chǎn)生源于前腸內(nèi)胚層的背腹側(cè)區(qū)域。小鼠在胚胎13～14 d形成胰腺, 最早在胚胎期 8.5～9.5dpc內(nèi)胚層突出發(fā)育為早期胰腺的芽體(胰腺前體細胞)[1,2]?？蒲腥藛T對小鼠胰腺前體細胞的分化來源進行了相關(guān)研究。2005年Tremblay等[3]基于活體染料染色的譜系追蹤圖譜, 對內(nèi)臟前體細胞的分布及其隨后分化進程的變化情況進行了一系列實驗, 發(fā)現(xiàn)了兩種不同的內(nèi)胚層前體細胞類型, 其中中腸內(nèi)胚層前體細胞作為內(nèi)臟組織的前體細胞繼續(xù)發(fā)育, 最早胰腺前體細胞也來源于此。2008年 Franklin等[4]應(yīng)用同樣的方法揭示了內(nèi)胚層前體細胞的區(qū)域分布性, 并發(fā)現(xiàn)在前腸內(nèi)胚層區(qū)域的細胞出現(xiàn)不對稱分布, 隨著胚胎的發(fā)育在原腸上皮的背腹側(cè)區(qū)域細胞會逐漸形成胰腺原基。針對小鼠胚胎發(fā)育內(nèi)胚層前體細胞區(qū)域分布性, Lewis等[5]綜述了在原腸胚階段表胚層細胞形成終末內(nèi)胚層后其細胞的命運情況, 強調(diào)內(nèi)胚層前體細胞的區(qū)域化與內(nèi)胚層形成同步性。在胚胎發(fā)生原腸作用時很可能就伴隨著胰腺前體細胞的形成, 該假說在非洲爪蛙(Xenopus laevis)中得以證實, 在原腸作用期間每個胚胎通過背側(cè)注射25 pg mRNA含量的造血表達同源異形盒(hhex)檢測對腹側(cè)胰腺前體細胞的形成及影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在 vpp1陽性細胞[6], 找到這一類基因?qū)⒏兄趯σ认僭缙诎l(fā)育進行相關(guān)研究。而小鼠胰腺發(fā)育則起始于胚胎 6～10體節(jié)期(胚胎8.0～8.5 d), Wessells等[2]取6體節(jié)期的內(nèi)胚層與胚胎11 d胰腺間質(zhì)進行共培養(yǎng)使得胰腺形成發(fā)育, 指出早在胰腺間質(zhì)積聚之前胰腺已經(jīng)開始發(fā)育。胰腺發(fā)育起始階段, 脊索與背內(nèi)胚層直接相連并在一定程度上調(diào)控胰腺器官發(fā)育[7]。在 14體節(jié)期, 開始有內(nèi)分泌細胞分化形成, 到28體節(jié)期大約為胚胎發(fā)育第10 d胰腺各部分組成已基本形成(圖2)。

圖1 終末分化細胞重編程為胰島β細胞簡圖

圖2 胰腺器官形成早期階段截面圖(胚胎8～10 d)(根據(jù)參考文獻[8]修改)

1.2 胰腺發(fā)育中相關(guān)信號調(diào)控

早期的細胞基因標記以及嵌合體小鼠實驗都對胰腺的發(fā)生及其來源進行了相關(guān)研究, 研究表明胰腺內(nèi)、外分泌細胞類型來源相同, 都起源于共同的細胞群體——祖內(nèi)胚層細胞[9～11]。在胰腺早期發(fā)育階段, 相關(guān)信號的逐步調(diào)控起著非常重要的誘導作用, 最先接受鄰近胚層信號調(diào)控的內(nèi)胚層細胞發(fā)育為胰腺前體細胞。在原腸胚作用階段, Stafford 等[12]在斑馬魚(Danio rerio)中用突變體阻斷視黃酸(RA)信號通路來研究胰腺發(fā)育情況, 首次證明在原腸作用結(jié)束之前視黃酸信號通路的活性對胰腺發(fā)育具有極其重要的作用。Chen等[13]在非洲爪蛙中同樣證實了視黃酸信號通路活性對胰腺發(fā)育是必不可少的,并提出RA在背胰腺發(fā)育過程中對Notch信號通路有阻斷作用, 這與 Hald等[14]研究 Notch1信號通路對早期胰腺發(fā)育有抑制作用的結(jié)論相統(tǒng)一。對于RA信號通路的研究已在小鼠實驗中得到證實, 2005年Martin等[15]在敲除視黃醛脫氫酶 2基因(Raldh2)的小鼠中發(fā)現(xiàn)背胰腺前體細胞不能形成, 表明 RA對背胰腺發(fā)育是非常重要的。同年, Molotkov等[16]對RA的來源及對背胰腺內(nèi)胚層形成的必要性也做了相關(guān)的研究并得到證實。在小鼠胚胎7.5 d以后, 內(nèi)胚層細胞受臨近中胚層和外胚層信號調(diào)控表達胰腺特異性基因, 對于此階段內(nèi)胚層細胞信號的調(diào)控, Wells等[17]通過體外胚葉移植體實驗, 證實了小鼠早期內(nèi)胚層分化模式是受相鄰胚層信號調(diào)控的。隨后在胚胎8.5 d左右, 來自于脊索的信號也調(diào)控著早期胰腺發(fā)育過程。成纖維細胞生長因-2(FGF2)和激活素 β(activinβ)作為脊索信號調(diào)節(jié)因子對胰腺早期發(fā)育具有重要作用[11,18]。隨著胰腺的發(fā)育, 隨后的信號調(diào)控是圍繞胚胎胰腺上皮細胞的間充質(zhì), 它調(diào)控著早期胰腺上胚層細胞增殖分化產(chǎn)生胰腺內(nèi)外分泌組織這一發(fā)育過程[19]。Lammert等[20]通過胚胎鼠內(nèi)胚層體外分離、非洲爪蟾胚胎背部動脈移除和轉(zhuǎn)基因小鼠 3個不同的實驗系統(tǒng), 證明來自血管內(nèi)皮細胞的調(diào)控信號能誘導胰腺分化, 這也證實了在早期胚胎發(fā)育中胰島與血管之間存在生理性上的聯(lián)系。在胰腺內(nèi)分泌前體細胞形成胰島 β細胞的研究中, Sussel等[21]提出同源異型結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子Nkx2.2對分泌胰島素的胰島 β細胞正常分化是非常重要的,他們利用免疫組織化學分析Nkx2.2突變胚胎鼠不但沒有胰島β細胞的產(chǎn)生而且對于產(chǎn)生胰高血糖素的α細胞和PP細胞也幾乎不存在。2004年P(guān)rado等[22]報道Nkx2.2突變的胰腺內(nèi)分泌細胞被另一種能分泌胃饑餓素的“ε”細胞群所取代, 此種“ε”細胞則主要存在于胃中。他們還證實Pax4突變鼠同樣有此種表型, 并提出胰島素分泌細胞和胃饑餓素分泌細胞可能來源于共同的祖細胞。此種能分泌胃饑餓素的胰島“ε”細胞作為第 5種胰島內(nèi)分泌細胞已被廣泛接受。胰島最終的分化產(chǎn)生是胰腺前體細胞在轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGFβ)、活化基質(zhì)金屬蛋白酶-2(MMP-2)的作用下完成的。

2 胰腺相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子

哺乳動物胰腺發(fā)育過程中存在很多轉(zhuǎn)錄因子,包括胰腺-十二指腸同源盒基因-1(Pdx1)、基因神經(jīng)元素 3(Ngn3)、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A(MafA)、髓鞘轉(zhuǎn)錄因子3(Myt3)、胰島因子1(Isl1)、胰島特異性轉(zhuǎn)錄因子配對盒-4(Pax4)、人類配對盒基因6( Pax6)、神經(jīng)源性分化蛋白(NeuroD)、NK2相關(guān)的同源轉(zhuǎn)錄因子 Nkx2.2(Nkx2.2)、運動神經(jīng)元和胰腺同源框(MNX1)等, 它們對胰腺發(fā)育的各個階段具有重要地調(diào)控作用。胰腺相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的研究報道增強了人們對胰腺來源及發(fā)育進程的認知, 在理論上明確了細胞重編程產(chǎn)生胰腺細胞的可能性,對治療糖尿病、再生胰島β細胞具有重要的意義。

Pdx1又稱胰島素啟動子, 在胰腺的形成和β細胞的分化、形成、成熟等方面起著至關(guān)重要的作用。PDX1在早期胰腺芽體所有上皮細胞中表達, 標記分化為胰腺潛在多能性細胞群, 但在胰島 β細胞形成后限制其高水平表達。PDX1缺陷的小鼠內(nèi)胚層仍能突出形成早期芽體但胰腺的形態(tài)發(fā)生以及分化都被阻滯[15], 這也影響了腺泡細胞的成熟發(fā)育。然而維持 Pdx1低表達量則能有效的促使腺泡細胞的形成與分化[23], 并對腸上皮細胞很多方面的分化也有促進作用, 比如腸胃內(nèi)內(nèi)分泌細胞的特化及胃十二指腸交界處結(jié)構(gòu)的形成[24]。

Ngn3是螺旋-環(huán)-螺旋家族轉(zhuǎn)錄因子中的一員, Ngn3蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)的離散區(qū)域和胚胎胰腺前體細胞中表達, 它能啟動胰腺前體細胞分化為胰腺內(nèi)分泌細胞。缺失Ngn3的小鼠不能產(chǎn)生任何胰腺內(nèi)分泌細胞, 并且出生后死于糖尿病[25], 細胞系譜追蹤試驗證實了 Ngn3陽性細胞即為胰島前體細胞[26]。2009年Wang等[27]證實高表達Ngn3對胰腺祖細胞分化為胰腺內(nèi)分泌部是非常重要的。Ngn3因子的表達標志著早期胰腺內(nèi)分泌細胞前體的形成, 對胰島內(nèi)分泌細胞分化起著決定作用。

MafA是胰島素基因轉(zhuǎn)錄的有效活化劑, 作為Maf轉(zhuǎn)錄因子家族中的一員, 特異表達于胰島 β細胞中, 參與調(diào)節(jié)胰島素合成、分泌和糖代謝等相關(guān)基因的表達, 還參與調(diào)節(jié) β細胞其他轉(zhuǎn)錄因子PDX-1和β細胞E盒反式作用因子2 (BETA2)的表達[28], 對于胰島 β細胞增殖和激活是必不可少的。選擇性過表達MafA能夠誘導內(nèi)生性胰島素mRNA的產(chǎn)生。Maf 家族的另一成員MafB則可以特異性地促進胰高血糖素的表達[29]。新近的研究結(jié)果[30]表明, 胰腺內(nèi)源性前體細胞的正常分化在特定階段需要MafA短暫性地誘導表達, 若過早誘導MafA表達則會阻滯這一分化進行, 雖然該阻滯是可逆的, 但MafA這一效應(yīng)性表達在胰島內(nèi)分泌細胞分化形成中是非常重要的。

Fgf10是成纖維生長因子(FGFs)家族成員, 表達在胰腺胚芽背腹區(qū)域的間充質(zhì)內(nèi), 對Pdx1陽性細胞的產(chǎn)生有信號調(diào)控作用, 另外 Fgf10對早期胰腺發(fā)育信號調(diào)控具有重要作用。Fgf10缺陷鼠胰腺上皮分化和形態(tài)發(fā)生都被抑制[31]。Miralles等[32]證實Fgf10和 Notch信號通路間的相互作用對胰腺前體細胞的自我更新是非常重要的。Notch信號通路在對胰腺前體細胞作用的同時, Fgf10信號作為其下游介質(zhì)在這一過程中起重要作用。

Myt3是成人胰島MYT家庭成員之一, 在胚胎(E18.5d)之后它表達在胰腺重要的內(nèi)分泌細胞類型中。Myt3的表達直接調(diào)控 Foxa2、Neurod1和Pdx1的表達, 對 β細胞的正常發(fā)育及其功能至關(guān)重要。Ngn3通過改變 Myt3最初核染色質(zhì)的狀態(tài)來誘導Myt3表達。抑制Myt3的小鼠, 胰島素含量減少, β細胞的凋亡增加[33]。

3 終末分化細胞重編程為胰島β細胞相關(guān)研究

2008年美國科學雜志評選出的十大科學進展中細胞重編程被評為第一位。通過細胞重編程, 已分化的細胞在特定的條件下通過高表達幾個相關(guān)基因后能被逆轉(zhuǎn)并恢復到全能性狀態(tài)而產(chǎn)生誘導性多功能干細胞(iPSCs)[34～36], 或者進一步發(fā)育成一個新的個體。細胞重編程的研究開啟了生物學的新領(lǐng)域,對其他相關(guān)基礎(chǔ)細胞的研究提供了新工具。細胞重編程對胰島 β細胞的再生、重構(gòu)功能性胰島素分泌樣細胞具有重要的研究意義, 這種方法有望應(yīng)用于糖尿病的臨床治療。

3.1 腺泡細胞重編程為胰島β細胞

腺泡細胞屬于胰腺外分泌部的組成成分, 呈錐形, 尖端朝向腺泡腔。腺泡細胞中酶原顆粒的內(nèi)容構(gòu)成胰液中的主要蛋白成分, 參與合成消化液。腺泡細胞的特定結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng), 經(jīng)過重編程后轉(zhuǎn)化成胰島β細胞。2008年, Zhou等[37]選取Ngn3、Pdx1 和MafA這3個轉(zhuǎn)錄因子, 通過病毒一次性轉(zhuǎn)導入腺泡細胞, 成功地將腺泡細胞轉(zhuǎn)化為胰島素分泌細胞。他們通過細胞系譜追蹤實驗進一步確認了癌胚抗原肽(Cpa1)陽性成熟的腺泡細胞編程為胰島素分泌樣細胞, 更重要的是這些細胞表達胰島 β細胞關(guān)鍵標志因子Nkx6.1、Glut2 (葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2)和葡萄糖激酶, 而不再表達調(diào)控腺泡細胞功能性的關(guān)鍵基因胰腺特異性轉(zhuǎn)錄因子 1a(Ptf1a)和淀粉酶,也不表達除胰島素以外的其他任何胰島激素。此外,小鼠體內(nèi)實驗證實了腺泡細胞的重編程性。Zhou等[38]通過注射冷凍普通腺病毒, 將 Ngn3、Pdx1、MafA 3種因子注入體內(nèi)缺乏胰島β細胞的病鼠胰腺內(nèi), 結(jié)果胰腺內(nèi)大約 20%的外分泌細胞轉(zhuǎn)化成胰島β細胞。這一研究利用基因重組技術(shù), 實現(xiàn)不同種類成體細胞間的直接轉(zhuǎn)化, 為再生醫(yī)療開辟了新途徑。由腺泡細胞重編程為胰島β細胞的工作在斑馬魚的研究中也得以實現(xiàn), 2011年Hesselson等[39]通過抑制斑馬魚單一轉(zhuǎn)錄因子Ptf1a/p48的活性, 采用遺傳系譜追蹤的方法證實了腺泡細胞能重編程為胰島素分泌樣細胞。2013年Furuya等[40]證實了甲狀腺激素受體 α(TRα)與其配體 p85α作用后能激活磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)信號通路, 并誘導胰腺腺泡細胞重編程為胰島分泌樣細胞。

盡管通過Ngn3、Pdx1和MafA這3個轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)染使腺泡細胞在小鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)化成了胰島β樣細胞, 甚至可以在斑馬魚中通過抑制單一轉(zhuǎn)錄因子實現(xiàn)此轉(zhuǎn)分化, 但他們并不足以使一些成體細胞(如肌細胞、成纖維細胞)重編程為胰島β細胞。目前, 關(guān)于小鼠或人成體細胞在體外重編程為胰島 β細胞的研究還未見報道, 一方面是由于相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子選取不足及不夠準確, 另一方面可能涉及到體外培養(yǎng)條件不成熟, 在一定程度上對體外誘導胰島β細胞的生物學特性產(chǎn)生了很大的影響。另外, 更值得關(guān)注的是腺細胞重編程為胰島 β細胞潛在的臨床應(yīng)用性。要達到臨床應(yīng)用的目標, 需有效解決病毒轉(zhuǎn)染細胞所帶來的安全問題。

3.2 胰島α細胞重編程為胰島β細胞

另一個更深入研究重編程轉(zhuǎn)化為胰島β細胞的例子是 Collombat等[41]成功地將成年小鼠的 α細胞重編程為胰島素分泌細胞。他們發(fā)現(xiàn)在小鼠體內(nèi)通過異位表達Pax4就足以使小鼠的α細胞重編程為胰島β細胞。在生理結(jié)構(gòu)上α細胞與胰島β細胞都屬于胰腺內(nèi)分泌部, 且都來源于前體祖細胞。它們一定程度上有著相似的功能, 或許能在特定條件下相互轉(zhuǎn)變。2010年Thorel等[42]首先利用白喉毒素篩除β細胞成功構(gòu)建轉(zhuǎn)基因小鼠, 然后采用系譜標記追蹤α細胞轉(zhuǎn)分化為了胰島β細胞。2011年Yang等[43]報道在 Ngn3表達的內(nèi)分泌前體細胞中增加單一外源性Pdx1的表達能使得胚胎發(fā)育階段的α細胞轉(zhuǎn)分化為 β細胞。這些研究顯示, 在內(nèi)分泌前體細胞與激素分泌細胞間通過特定轉(zhuǎn)錄因子的誘導能呈現(xiàn)出很有效的可塑性, 使得 1型糖尿病的治療前景更為可觀。2013年Bramswig等[44]利用人和鼠的胰島作為實驗材料, 通過在添加有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑的培養(yǎng)基里培養(yǎng)胰島, 證明了表觀基因組的可塑性能使得胰腺α細胞重編程為胰島β細胞。最近的研究揭示, 在基因?qū)用嫔?α細胞的二價染色質(zhì)因子如Pdx1和MafA都處在非激活狀態(tài), 然而在β細胞中則是激活狀態(tài)。科研人員需要進一步探索, 以尋找內(nèi)在的條件使α細胞穩(wěn)定的重編程為胰島β細胞。

3.3 其他終末分化細胞重編程為胰島β細胞

肝與胰島在胚胎發(fā)育早期來源相同, 都來源于由上胚層細胞分化來的內(nèi)胚層部分, 由此可見肝細胞也可被轉(zhuǎn)分化為胰島素分泌細胞。Ferber等[45]最先利用重組腺病毒介導基因, 將Pdx1轉(zhuǎn)導入肝細胞中激活內(nèi)源性胰島素的表達, 明顯地改善鏈脲霉素誘導產(chǎn)生的高血糖癥。隨后相關(guān)報道證實了胰腺發(fā)展過程中一些調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子, 如MafA、NeuroD1、Ngn3等在肝細胞中高表達并具有誘導胰島細胞分化的潛能, 但這些轉(zhuǎn)錄因子在誘導胰島細胞重編程過程中, 單個基因的編程性作用目前還不清楚[46～48]。2009年Motoyama等[48]報道了把原代培養(yǎng)的肝細胞高表達Pdx1 和Ngn3兩個轉(zhuǎn)錄因子后, 能使肝細胞重編程為胰島分泌樣細胞, 該項工作采用了非病毒轉(zhuǎn)染的方式提高細胞重編程的安全性, 具有潛在的臨床應(yīng)用價值。除此之外Talchai等[49]則選取小鼠腸道上皮細胞選擇性的敲除 Foxo1(FoxO亞家族中的轉(zhuǎn)錄因子)使其重編程產(chǎn)生胰島素分泌樣細胞, 并表達胰島 β細胞相關(guān)標記基因, 這項工作表明腸內(nèi)分泌前體細胞存在活性的Foxo1時能有效的阻滯其向胰島素分泌細胞的分化, 并為獲得功能性的胰島 β細胞來治療1型糖尿病提供了新的重編程途徑。Lee等[50]則通過流式細胞術(shù)分選出人胰腺導管細胞體外培養(yǎng), 然后利用腺病毒介導的轉(zhuǎn)染系統(tǒng)高表達Neurog3、MafA、Pdx1 和 Pax6四種轉(zhuǎn)錄因子成功地將胰腺導管細胞重編程為具有分泌胰島素功能的胰島 β細胞, 該研究使得人胰腺導管細胞重編程為分泌胰島素的胰島β細胞成為可能。Wang等[51]的研究表明, 通過向鼠肝細胞中轉(zhuǎn)導4個Yamanaka轉(zhuǎn)錄因子OCT4(POU5f1轉(zhuǎn)錄因子4)、SOX2(性別決定基因相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子 2)、kLF4(腹黑果蠅樣因子 4)和C-MYC(原癌基因)重編程為胰腺祖細胞, 這種重編程機制能更容易誘導胰島β細胞的分化。

3.4 細胞重編程為人胰島β細胞

科研人員利用細胞重編程探究人的胰島細胞分化做了大量的研究。2012年有研究報道從成人胰腺分離出的管細胞, 經(jīng)過腺病毒轉(zhuǎn)導高表達轉(zhuǎn)錄因子Ngn3后能激發(fā)導管細胞表達胰島內(nèi)分泌細胞特定標記基因, 并重編程為胰島 β樣細胞, 但陽性率不到10%, 而添加髓鞘轉(zhuǎn)錄因子(Myt1)或抑制δ-Notch信號通路都能有效的加強 Ngn3對導管細胞的重編程[52]。盡管有報道稱用腺病毒轉(zhuǎn)導MafA、Pdx1 和Ngn3這3個轉(zhuǎn)錄因子能有效的重編程未成年免疫缺陷鼠腺泡細胞為胰島分泌樣細胞[38], 但在此項研究中這些轉(zhuǎn)錄因子的聯(lián)合并不能有效地使人的胰腺導管細胞重編程為胰島 β樣細胞, 反而與單獨轉(zhuǎn)導Ngn3相比效率會更低。這一研究雖然能得到胰島β細胞, 但重編程效率低, 還亟需更好的優(yōu)化實驗方案。2013年, Dave等[53]分離56位志愿者腹部脂肪,在不添加其他異種因子的特殊培養(yǎng)基上培養(yǎng)10 d后進行分化實驗, 以未分化的間充質(zhì)干細胞在未分化培養(yǎng)基中培養(yǎng)作為對照。通過上調(diào)Pax-6、胰島素啟動因子1(Ipf-1)、Isl-1這3種胰腺發(fā)育相關(guān)因子使人的脂肪組織分化產(chǎn)生胰島分泌樣細胞。Katz等[54]報道人的皮膚成纖維細胞經(jīng)過表觀遺傳修飾耦合轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控為胰島樣細胞, 該研究為轉(zhuǎn)分化胰島樣細胞提供了一種新的途徑。另外, Lima等[55]成功地報道了人胰腺外分泌部分重編程為胰島β樣細胞。他們首先將其進行培養(yǎng), 去分化后的細胞再經(jīng)過腺病毒轉(zhuǎn)染Pdx1、Ngn3、MafA和Pax4四個轉(zhuǎn)錄因子后重編程為分泌胰高血糖素的 α樣細胞, 然而在未進行轉(zhuǎn)染前先抑制原代細胞的去分化狀態(tài)后, 胰腺外分泌部細胞就將重編程為分泌胰島素的胰島β樣細胞, 這些細胞通過移植到免疫缺陷糖尿病鼠體內(nèi)確實能有效的調(diào)控其正常血糖含量, 有效地證實了重編程得到的胰島β樣細胞的功能性。

4 結(jié)語與展望

通過重編程得到高質(zhì)量的胰島 β細胞還需要很多探索, 不僅需要分化細胞有分泌激素功能, 更需要對編程性的胰島 β細胞在功能上進行各個方面的檢測驗證。對于當前重編程為胰島β的研究還有很大探索空間, 一方面重編程試驗研究要從體內(nèi)轉(zhuǎn)化到體外, 使重編程更加穩(wěn)定; 另一方面重編程因子的轉(zhuǎn)導需要更加安全和高效。

盡管細胞重編程在功能性β細胞的產(chǎn)生和增殖上已取得了巨大的進步, 但仍存在著很多問題, 例如重編程細胞的安全性及胰島β細胞能否用于細胞療法等, 這就要求必須找到一種高效、可靠的方法來引發(fā)細胞再編程, 這將是以后研究的重點。細胞重編程為再生醫(yī)學又開辟了一條新道路, 為最終治愈糖尿病帶來了希望。

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(責任編委: 楊澤)

Progress in early pancreas development and reprogramming of terminally differentiated cells into β cells

Mingjun Cao1, Huansheng Dong2, Qingjie Pan1, Hongjun Wang1, Xiao Dong3

1. College of Animal Science, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;
2. Department of Surgery, Medical University of South Carolina, Charleston, SC 29425, USA;
3. College of Life Science, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China

Type 1 diabetes mellitus (T1DM) is an autoimmune disease in which the immune system attacks insulin-secreting β cells, thus leading to an absolute deficiency of insulin. Patients must rely on exogenous insulin, which cannot effectively prevent diabetes complications. Generation of insulin-secreting cells by reprogramming of pluripotent stem cells or somatic cells is a potential approach for the treatment of T1DM. These cells can be used for cell therapy and drug screening, and may eventually provide a cure for the disease. Significant progress has been made in generating insulin-secreting cells through the expression of β cell specific transcription factors in stem cells or somatic cells. In this review,we summarize recent research progress in early pancreas development, β cell specific transcription factors and reprogramming of terminally differentiated cells into β cells.

type 1 diabetes; β cell generation; pancreatic transcription factor; cell reprogramming

2013-11-05;

2014-01-06

青島農(nóng)業(yè)大學高層次人才科研基金(編號：631114)資助

曹明君, 碩士研究生, 專業(yè)方向：動物生殖發(fā)育與基因工程。E-mail: caomingjun19881112@163.com

董曉, 博士, 副教授, 研究方向：生殖生理。E-mail: 1163553518@qq.com

王紅軍, 博士, 副教授, 研究方向：糖尿病的細胞和藥物治療。E-mail: hjwang11@hotmail.com

10.3724/SP.J.1005.2014.0511

時間: 2014-5-4 15:26:29

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20140504.1526.002.html