作者：张金梅 陈新月 高逢喜
【摘要】胚胎干细胞（Embryonic Stem Cell，ESC）具有全能性，其命运决定是一个错综复杂的过程，由微环境、基因、转录因子、miRNAs及表观遗传机制等多种因素综合调控。在分子水平上全面理解调控ESC命运的信号通路和转录网络，使ESC能充分应用于治疗领域，具有十分重要的意义。这篇论文揭开了ESC全能性的神秘面纱，为ESC的基础研究和临床应用提供了参考。
【关键词】胚胎干细胞 全能性 信号通路 微环境
被喻为位于山巅的石头，可沿着无数条路径滚落到山谷，ESC有无限的分化潜能，可发育成任何细胞和组织，具有极广阔的应用前景。ESC的全能性归根到底是因为它处于基态，其所处的特殊微环境、染色体组的活性状态、表观遗传差异及miRNAs都起着至关重要调节作用。诸多信号分子、复杂的转录因子调控网络、遗传信息及表观遗传修饰等的动态变化和相互作用，决定了它的与众不同。
1 微环境（n i c h e ）
分子水平上ESC的居所是微环境，微环境中的ESC一般是保持静止休眠状态，当受到内外环境的刺激时，ESC复苏并开始不对称分裂，形成两个子细胞，一个和它自身一模一样，另一个分化成组织所需的细胞。微环境的大小能通过空间信息的整合来改变。微环境的组分能调节分化诱导因子和抑制因子，使之处于平衡状态。微环境中的可溶性因子、细胞外基质以及细胞之间的相互作用传递的信号共同调控ESC的命运。目前已知的ESC 中全能型相关的信号通路有JAK/STAT、ACTIVIN/NODAL、BMP、 AKT/PTEN和 WNT等[1]。研究发现Notch信号通路的激活是人ES C分化形成三个胚层所必须的[2]。
细胞间的黏附能可逆地调节ESC的自我更新。如E-钙粘蛋白可通过调节Nanog的表达阻止ESC的过早分化，以维持ESC的全能状态[3]。
2 基因与转录因子的调节
干细胞的多能性由转录调控网络通过协调一系列基因的表达来维持，如Oct4、Sox2 和 Klf4通过激活转录抑制因子Ctbp2、Rest 和Mtf2间接地抑制谱系分化基因的表达[4]。已经鉴定了许多调控或发育相关的功能基因在ESC中高度表达。除了已知的调节基因外，还有一些基因如N u p 1 3 3 、Mrpl15、Nrf1和Msh6等在保持ESC的多能性和自我更新方面也有重要的作用。
在基因表达的随机过程中， 转录噪音严重地影响着细胞的命运。Kalmar T[5]小组提出，Nanog基因表达的转录波动是保持多能性的必要因素，Sox2、Oct4和Nanog组成的网络能维持转录噪音以干扰分化信号。Cole MF[6]等的研究表明，Wnt信号途径的终端成员，转录因子Tcf3，能通过结合基因组的启动子与Oct4和Nanog发生作用，调节ESC的全能性。
3 表观遗传的调节
细胞的命运由基因表达或表观遗传决定，表观遗传的调节能驱动细胞转变为iPSC。表观遗传调节包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、基因沉默及染色质重塑等，其中，DNA甲基化和染色质重塑是ESC中非常重要的两种表观遗传修饰。许多全能型相关基因如Nanog，Lefty1，Tdgf1和核小体重塑复合物Smarcd1， 在干细胞中是去甲基化，而在分化细胞中却是高度甲基化的。
Yan[7] 等指出，染色质重塑复合体组分的变化，能诱导ESC的分化。ESC基因组一般处于转录沉默状态，当干细胞分化时转录高度活跃，其高转录活性来自于染色质重塑基因的大量表达。研究显示了不同地表观遗传修饰物在维持ESC的多能性和分化状态的平衡过程中其关键的作用。
4 miRNAs的调节
研究发现，miRNAs能通过调节c-Myc，减弱分化，甚至替代cMyc促进细胞去分化，诱导多能性；鼠ESC中特有的miR294和miR295能提高Klf4、Oct4和Sox2诱导多能性的效率。miRNAs参与ESC全能性的调节是因为miRNAs基因的启动子能与全能性转录因子Oct4，Sox2，Nanog等结合，其调控方式类似于蛋白编码基因：一类miRNAs在多能性ESC中大量表达；另一类miRNAs则被PcG蛋白沉默，当ESC分化时才被激活。
miRNAs簇的不同成员能通过靶定信号通路的不同成份形成一个整体，达到共同调节ESC全能性的目的。例如，miR302是一个含有8个microRNAs相互串联的miRNAs簇，其保守区域分别与Oct4和Sox2结合，参与ESC全能性与分化的调控。
5 调节回路
为了发掘ESC全能性的分子机制，引入了许多的模型。这些模型大体上由两个相互作用的回路组成：一个回路是由干细胞特殊的转录因子OCT4、SOX2和 NANOG组成；另一个由谱系分化的主导基因组成，调节分化。两个回路偶联，共同调控ESC的命运。几个正反馈环在回路中充当双向开关，响应环境刺激：当OCT4、SOX2和NANOG基因表达时，开关打开，自我更新基因表达，分化基因沉默；反之则分化基因表达。当自动分化调节回路的重要关节点被严重摧坏时，如N a n o g 被凋亡蛋白酶Caspase-3失活[8]，细胞便从全能性状态开始，随着环境刺激的增加不断变化，直到最后完全分化[9]。
6 结语
深入了解ESC全能性的分子机制使我们能灵活地操纵ESC为临床治疗服务。随着研究的不断深入，人们对微环境、转录因子调控网络及miRNAs复杂多样的调节功能的认识将愈加清晰，相信在不远的将来能绘制出更详尽的ESC调节回路图，对ESC的全能性的认识会更加深刻。
考考文献
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