探寻干细胞代谢的奥秘
□ 张田勘
2006年日本研究人员山中伸弥等人利用逆转录病毒载体向成体细胞转入4个基因(Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc)，重编程小鼠胚胎成纤维细胞和成体尾巴成纤维细胞。这些重编程的细胞呈现出类似小鼠胚胎干细胞的特征，因此被称为诱导多能干细胞(iPSCs)。iPSCs能够通过生殖系传递，产生嵌合动物并形成后代的所有组织，这意味着它们存在多能性。2007年、2008年和2010年美国《科学》杂志都以iPSCs倒转“生命时钟”为由将其评选为年度“十大科学突破”。
但是，体细胞是如何逆转而成为干细胞的，却一直是一个谜。为此，有人怀疑山中伸弥的研究并不真实。不过，后来，其他一些国家的研究人员采用同样的方法也获得了iPSCs，争议之声才有所平息。但是，体细胞是如何诱导来重新编程并成为多能干细胞的，一直令人捉摸不透。从2010年到2011年，陆续有一些研究证明，体细胞转化为iPSCs要经历生物能量转换。在这些研究结果的基础上，《科学》杂志于2011年12月23日预测，未来，尤其是2012年,研究人员将通过对干细胞代谢的深入研究，来阐明干细胞是如何进行自我调节和人工调节的，这将有助于人们弄清体细胞逆转成为干细胞的奥秘。
重编程依赖于细胞代谢
体细胞转化为干细胞的关键在于细胞重编程。而细胞重编程涉及多种分子机制，这些分子机制都属于细胞代谢范畴。
美国梅奥医学中心的福尔米斯等人在2011年8月3日的《细胞代谢》上发表文章指出，细胞重编程导致了一种从氧化到糖分解的生物能量转变状态。这意味着，生物能量的转变是细胞具有多能性的前提。这也可能是体细胞被诱导为多能干细胞的基础。
细胞代谢包括细胞生存的稳定性、细胞生长和细胞分化等过程，这些过程必然涉及细胞重编程。在细胞代谢过程中，能量的产生和利用是一个关键因素，因为细胞只有具备和利用能量，才能进行细胞代谢。这正如人体必须有能量吸收和转化才能维持生命的功能一样。
细胞代谢由生物能量转化促成
近年来的一些研究表明，体细胞主要是利用线粒体的氧化磷酸化获得能量产物，而iPSCs的产生则依赖于糖酵解。福尔米斯等人则证明，在细胞重编程阶段，体细胞中成熟的富含嵴(线粒体内膜向基质折褶形成的结构)的形态向iPSCs的很不成熟和缺乏嵴的结构转变。而葡萄糖利用和乳酸盐产物在iPSCs中比在体细胞中多，而且iPSCs中的氧消耗较少。
蛋白质组代谢的分析也表明，相对于其亲本成纤维细胞，iPSCs提升了糖分解酶的水平,并且降低了电子传递链的水平。而且，通过增加介质葡萄糖水平来刺激糖酵解也增加
了细胞重编程的效率；反之，抑制糖酵解，则会降低细胞重编程效率。这与其他一些研究的结果相同或相似。
所有这些研究结果都指向一个方向，诱导体细胞重编程而成为iPSCs与大量的生物能量重组相联系，其本质是，促进体细胞线粒体氧化向糖酵解依赖的多能化状态转化。最为重要的是，细胞中糖酵解变化是在细胞的多能化标记获得之前发生的。使用四甲基罗丹明乙酯(TMRM)荧光染色法，可以观察细胞内部并测量线粒体。研究人员由此发现，在细胞重组期间(对细胞转入Oct4、Sox2、Klf-4和c-Myc基因7天后)，糖酵解的基因表达增多。这个时间是在多能化的基因表达之前。而多能化基因表达是在转入Oct4、Sox2、Klf-4和c-Myc基因14天后。
概括起来，如果一些基因能诱导体细胞通过细胞重新编程而生成iPSCs，则必须依赖细胞代谢，这一代谢的本质是采用糖酵解生成的能量来促成的。换句话说，线粒体潜能和糖酵解基因的表达先于多能化基因的表达。
诸多问题仍待探讨
尽管福尔米斯等人的研究和其他类似的研究证明了这一点，但是，关于干细胞代谢的其他很多问题还有待探讨。例如，这一代谢的详细时间周期，如何测定糖酵解蛋白的表达或酶的功能等，都是需要继续研究的。这些因素可能联合作用才导致了体细胞必须经历线粒体氧化到糖酵解的能量转化，以便将细胞重编程到多能状态，而生物能量的转化可能只是其中的原因之一。
因此，要弄清干细胞代谢在体细胞转化为多能干细胞中的重要作用和机理，还有更长的路要走。这也是《科学》杂志期待2012年在这方面出现重大进展的原因。
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