诱导性多能干细胞( induced pluripotent stem cells，iPS)是通过人工诱导已分化的动物体细胞重编程( reprogramming)而获得的可进行自我更新且具有多向分化潜能的细胞。iPS细胞出现之前，人类实现体细胞重编程从而改变细胞命运的方法仅有细胞核移植( nuclear transplantation)。1958年，英国科学家John Gurdon将爪蟾的小肠上皮细胞核移入去核卵细胞中，培育得到了健康的成体爪蟾。1997年，“多利羊”的诞生成为了体细胞重编程领域的又一个里程碑。然而，通过细胞核移植技术实现重编程的效率较低，且人类卵母细胞获取困难，使该技术的应用转化发展缓慢。

2006年8月，日本科学家Shinya Yamanaka的研究团队宣布可以通过向小鼠成纤维细胞中引入4个特定的转录因子( Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc)而将其诱导为多能性干细胞，即iPS细胞，其研究结果在 Cell杂志上发表。iPS细胞与胚胎干细胞( embryonic stem cell，ES)具有类似的形态学、功能学和基因表达谱特征，植入早期胚胎后可通过组织发育形成成体小鼠，并可实现生殖传递。2007年，人类的iPS细胞建系成功，证明了通过转录因子诱导方法实现人类体细胞重编程的可行性。自此之后，大鼠、猴、猪和犬等多种动物的iPS细胞系也陆续建立。2009年，我国科学家通过四倍体囊胚注射获得了iPS小鼠，证明iPS诱导的方法与细胞核移植具有同等重编程能力，研究结果在 Nature杂志上发表。2013年， Science进一步报道了联合应用小分子化合物也可以将小鼠体细胞诱导为iPS细胞，为体细胞重编程诱导多能性干细胞提供了新的思路。

iPS细胞的发现在干细胞、组织工程与再生医学领域引起了极大震动，获得了空前关注。iPS细胞的产生被广泛认为是一种符合伦理和有效的体细胞重编程方法，革新了人们对于发育生物学的理解，并且在未来人类疾病病理学研究、药物筛选、细胞移植治疗、组织工程与再生医学等诸多方面具有广泛的应用前景。2012年的诺贝尔生理或医学奖就授予了在体细胞重编程领域做出了革命性贡献的John Gurdon和Shinya Yamanaka，而iPS的发现也被列为“21世纪十大科技成就”之一。

尽管小分子化合物的联合应用实现体细胞重编程已见诸报道，利用转录因子进行体细胞重编程仍然是迄今应用较为广泛、研究较为透彻的方法。Yamanaka的团队最初从24个候选基因中筛选出4个与ES细胞多能性密切相关的基因表达产物Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc用于小鼠和人类iPS的诱导，继而Nanog 和Lin28也被用于人类iPS的诱导过程。随着研究的进展，这些体细胞重编程因子的组合并不是一成不变的，目前仅有Oct3/4发挥着不可替代的作用。

Oct3/4特异表达于干细胞、早期胚胎及生殖细胞中，被认为是维持细胞多能性的关键转录因子，也可作为哺乳动物体内多能性干细胞的标志。Oct3/4可通过多种方式调节靶基因，它的不同表达水平可能是维持细胞不同的分化状态的主要因素，尤其在神经外胚层分化的过程中，Oct3/4的表达明显减少，而Oct3/4表达的上调将使ES细胞分化为内胚层细胞。在iPS的诱导过程中，Oct3/4的引入是必需的。Aoi等证实，仅仅将Oct3/4转入小鼠神经干细胞就可以成功获得iPS，虽然诱导成功率降低到0. 014%，但方法更为安全，而其他转录因子单独成功诱导iPS还未见报道。

Sox2属于Sox家族，可作为协同因子参与Oct3/4介导的 FGF-4、 OPN和 UTF-1基因表达调控。在胚胎发育过程中，Sox2参与维持干细胞活性，表达水平呈现出多样的动态的模式，它的存在也可作为多能性的标志。Huangfu等仅将Oct3/4和Sox2两种转录因子转入人成纤维细胞，在丙戊酸作用下成功获得iPS细胞。在iPS细胞的诱导过程中，Sox2的作用可被Sox1、Sox3、Sox7、Sox15、Sox17或Sox18替代。

Klf4属于Kruppel样因子的锌指蛋白，其基因本身既是抑癌基因又是原癌基因，且对于细胞的增殖和分化承担着重要的开关作用。研究证明，Klf4可以抑制c-Myc诱导的p53介导的细胞凋亡，而c-Myc可以抑制Klf4诱导的p21 ^CIP1介导的增殖停滞，表明c-Myc和Klf4的平衡在iPS细胞的诱导过程中起着关键作用。此外，Klf4还可以通过直接抑制p53来促进 NANOG在分化过程中的表达。Klf4的作用可被Klf2替代。

c-Myc属于HLH蛋白家族，在哺乳动物基因组中有超过4000个结合位点，下游靶基因很多都在iPS细胞的产生过程中起作用。它可以诱导组蛋白发生乙酰化，改变染色体构象，从而促进Oct3/4和Sox2与靶基因的结合。c-Myc的单独过表达也可以使得小鼠胚胎成纤维细胞的基因表达特征向多能性细胞转化。然而，它的基因也是一种原癌基因，参与细胞增殖、衰老和凋亡过程，与多种肿瘤的发展过程相关。近来研究表明，c-Myc不是iPS诱导的必需因子，可以用L-Myc代替或不使用，以降低iPS的致瘤风险，但同时也降低了诱导效率。

NANOG属于NK家族基因，其蛋白是小鼠ES细胞维持多能性和促进细胞增殖的重要转录因子，与Oct3/4、Sox2和Klf4可以形成互动，通过RNA多聚酶上调ES细胞特异的 STAT3和 ZIC3基因。另一方面，它们也可以与发育调控基因 PAX6和 ATBF1结合，发挥抑制作用。在最初的研究中，Yamanaka发现它不是必需的。进一步研究证实，Nanog的作用依赖于Oct3/4的表达，Nanog处于Oct3/4的下游或需要Oct3/4的协同而发挥作用，通过阻断干细胞的分化而维持多能性。

Lin28是一种高度保守的RNA结合蛋白，负向调控let-7 microRNA家族，从而间接促进干细胞增殖和重编程效率。Yu等将Lin28与Oct3/4、Sox2、Nanog转入成人体细胞中，可以成功诱导iPS的产生。此外， c-MYC是let-7的靶基因，Lin28也可以促进Oct3/4的mRNA翻译过程，辅助证实了Lin28参与干细胞功能调节的作用。然而，Lin28的多个靶基因都是癌基因，let-7也可能具有抑癌作用，因此Lin28的过表达可以将细胞引向恶性转化。

　在2006年的报道中，Yamanaka等在24个候选因子中，用一种或几种因子的不同组合分别尝试诱导小鼠成纤维细胞，结果发现，只有分别去掉其中4个因子Oct3/4，、Sox2、c-Myc、Klf4才得不到任何iPS的阳性克隆，用这4种因子的组合来获得iPS细胞就成为了iPS诱导的经典方案。后续研究证明，这组关键转录因子在人及恒河猴的细胞中均能介导重编程过程，也是迄今使用最多的一组因子。同时，另一组细胞重编程转录因子Oct3/4、Sox2、Nanog和Lin28也可以诱导小鼠成纤维细胞成为iPS细胞。

　研究人员尝试利用不同的转录因子组合在不同的体细胞中不断地提高iPS细胞产生的效率、质量和安全性。由于 c-MYC是原癌基因，它的导入存在一定的危险性，可使嵌合体小鼠的肿瘤发生率高达20%，于是探索消除c-Myc因子的导入就成为首要工作。Nakagawa等仅使用3个转录因子( Oct3/4、Sox2、Klf4)转染小鼠成纤维细胞获得了iPS细胞系，与经典方案不同的是筛选的时间延后了7天，说明c-Myc因子的去除降低了iPS细胞的诱导效率(约是经典方案效率的1/10)，但同时，也发现小鼠活体试验并无iPS植入导致的肿瘤形成。

研究人员进一步尝试用两种转录因子诱导神经干细胞成为iPS细胞获得成功，显示Oct3/4和Klf4、c-Myc其中之一组合就可以把神经干细胞诱导为iPS细胞。经过不懈的探索，研究人员终于把转录因子由最初的四个简化为仅有Oct3/4，成功诱导了神经干细胞的重编程。此外，一些新转录因子如ESRRB26、UTF127、SALL428、Tbx3等的引入也可以提高iPS的诱导效率和质量。

　通过抑制p53和p21通路从而加速细胞增殖、抑制细胞衰老可以提高iPS的诱导效率。p21、p53的下游效应基因，可以通过直接结合Sox2的加强子负向调节神经干细胞的扩增。其余抑癌基因如p27和lnk4a/Arf的表达下调也可以升高重编程效率。然而，p53和p21通路的抑制会导致iPS细胞基因组的失稳，因此应当避免它们的永久抑制。利用抑制剂或是siRNA实现一过性抑制p53和p21通路或许有益于iPS细胞的高效诱导。

Anokye-Danso和Subramanyam等单独使用miR-302/367可以足够诱导人类和小鼠成纤维细胞的重编程，且获得的iPS细胞各项特征均类似。这种新方法的突出优势是诱导过程快，大约是传统方法的100倍，并且不需要转录因子的参与。这些microRNA在胞内抑制细胞周期、上皮-间充质转换、表观遗传学调控、囊泡转运等干细胞发育的一系列关键过程和生物学行为中发挥作用，虽小却十分有效。

2013年，Hou等报道了一种新的iPS诱导方法。他们的研究结果展示了iPS可以在7种小分子化合物的联合诱导下，以0. 2%的频率由体细胞产生。这些化学诱导的iPS细胞在基因表达特征、表观遗传状态、分化能力和生殖系传递潜力方面也非常类似ES细胞。通过使用小分子化合物，外源性的转录因子对于细胞命运的重编程就不是不可或缺的了。这种化学重编程的策略为iPS细胞的诱导提供了新的思路。

反转录病毒和慢病毒具有较高的重编程效率，能够转染的细胞种类广，并且转入的基因表达水平也较高，应用广泛。在Yamanaka团队首次诱导iPS形成的过程中，就应用了莫洛尼氏鼠白血病病毒作为转录因子载体，通过反转录病毒感染的方法将因子导入成纤维细胞。Maherali等采用多西环素诱导表达的慢病毒载体，将初次诱导的iPS分化后形成的细胞再次诱导成为iPS，发现这种次级iPS与初级iPS诱导的效率相比提高了100倍，并且这种载体可以实现转录因子的开关控制。然而，运用整合病毒的方法会导致病毒基因组在iPS基因组的永久整合，可能具有成瘤性风险。一种解决方案是利用cre/ loxp系统，将4个因子置于一个表达框内共同表达，利用2A自剪切肽段实现4种蛋白之间的自剪切，并在诱导重编程后将外源基因切除。

利用复制能力缺陷的腺病毒载体是将目的基因转入细胞却并不与宿主染色体DNA整合的有效方法。Stadtfeld等首先应用腺病毒载体在肝细胞和成纤维细胞中建立iPS细胞，发现转入的因子的表达仅持续数日，但已可足够诱导体细胞重编程的发生。随后科学家利用腺病毒载体转入Yamanaka的经典4因子诱导方案，也成功将成纤维细胞重编程，形成可向三胚层分化的iPS细胞。然而，非整合病毒的方法虽然降低了iPS细胞成瘤的风险，同时也降低了转染效率，往往需要多次重复转染方可成功。

Fuskai等首次证实利用RNA病毒———仙台病毒转导。Yamanaka经典4因子实现体细胞重编程的可行性。这种方法不会出现转染因子在宿主基因组上的整合，细胞毒性和成瘤风险很低。目前迫切需要解决的是如何在诱导过程中排除可复制病毒的参与。最近的研究提出可用复制缺陷的仙台病毒实现重编程因子的转导，在人类成纤维细胞中成功诱导出iPS，其效率约与反转录病毒介导的重编程效率相同，达到1%的水平。

科学家们发现，即使是反转录病毒介导的重编程也仅仅是能暂时维持转录因子的表达状态，这些外源性导入的基因在重编程完成后往往再次陷入沉默。因此，利用非病毒转导方式实现一过性的外源基因表达也是iPS细胞诱导的可行办法。

　质粒转染方法是最简单的不依赖病毒的转导方法。Okita等首次利用质粒载体从小鼠胚胎成纤维细胞中诱导出iPS，其诱导时间为反转录病毒载体所需时间的两倍，并且诱导效率仅是1/10。继而又有科学家利用电穿孔法通过质粒将4种转录因子直接注入宿主细胞核中形成iPS细胞，加强了转录因子的表达。目前为止，利用无膜包被质粒的方法实现iPS细胞诱导的效率已经达到了0. 001%～0. 003%，高于腺病毒介导方法的效率，并且安全性较高。

Yu等首次应用Epstein-Barr病毒来源的oriP /EBNA1膜包被质粒载体实现了人类成纤维细胞的重编程。这些载体在细胞中并不参与染色体复制过程，仅仅需要一个顺式作用因子oriP和一个反式作用因子EBNA1的参与。pEB-C5和pEB-Tg载体也可见于iPS细胞的诱导应用。膜包被质粒载体可以实现多个转录因子的转入，并且转染的质粒数可以增多，诱导效率已经可以达到反转录病毒的水平。然而，这种方法对于源细胞类型的要求较为苛刻。目前研究多使用外周血单核细胞和成纤维细胞。

　 PiggyBac( PB)转座子能够在染色体中准确地切出和转座，在人类和小鼠的多种细胞系中发挥着功能。PB转座子-转位酶系统仅仅要求目的基因两侧存在倒置末端重复序列以及转位酶的一过性表达。Woltjen等使用PB转座子稳定转染人类和小鼠成纤维细胞，实现了与反转录病毒转导方法效率等同的iPS产生。同时，由于PB系统可被剪切性的存在，PB的插入可被安全地移除，这为iPS的诱导提供了安全性保证。

2010年两个研究小组同时宣布能够使用人工合成或修饰过转录因子的mRNA转染细胞实现iPS细胞的诱导。这种方法具有较高的转导效率，并且可避免对宿主细胞的基因操作，直接在宿主胞质中通过转录后修饰实现重编程功能性蛋白的直接植入。缺点是大量的长链RNA的引入可能会激活宿主细胞的抗病毒反应，并且转入的RNA在胞内存留之间较短，2～3天后就会降解从而使转录因子表达再次沉默。多种转到方法的联合应用或许可以取得更好的效果。

　有研究尝试直接向细胞内转入重编程因子的蛋白质形式实现iPS细胞的诱导。Yamanaka经典4因子蛋白与一条多聚精氨酸相连，通过多聚精氨酸的协助实现跨膜转运，在丙戊酸的协助下经过4次重复实现了iPS细胞的成功诱导。若去除丙戊酸，重复的次数需增加到6次方可成功。这种“无载体”的iPS细胞诱导方法因其克服了载体转导方法的限制，具有很大的应用潜力，然而目前它的转导仍然较为费时，并且效率很低。

iPS细胞最早是从小鼠成纤维细胞系中建立的，分离成纤维细胞的技术十分简便，但因其诱导效率不到0. 1%，iPS细胞被认为可能来源于一些组织干细胞。Aoi等的研究表明小鼠的iPS细胞也可在肝细胞和胃上皮细胞中建立，谱系追踪实验提示它们来源于白蛋白阳性细胞。小鼠的iPS细胞还可以通过胰岛β细胞和脂肪干细胞诱导而成。因此，iPS细胞的来源不仅仅是组织干细胞，还包括了多种已分化的体细胞。

人类iPS细胞系也已在多种组织和细胞中建立，包括成纤维细胞、角质形成细胞、黑色素细胞、脂肪组织、外周血、脐带血、羊膜液来源的细胞以及神经前体细胞。应该说，几乎所有的体细胞都具有经诱导重编程产生iPS细胞的能力，只是它们诱导的效率不同。

然而，不同细胞来源的iPS细胞是否具有相同的多能性潜力还不得而知，比如小鼠不同组织来源的iPS细胞就具有明显的性质差异。实际上，不同类型源细胞的重编程效率、重编程动力学和重编程后分化潜能都有很大差别，实际应用过程中很可能导致疗效的差异。此外，源细胞是否容易获取也是组织选择的一个重要考量因素，这一点在人类iPS细胞的诱导过程中尤为重要。在这些研究中，源细胞类型强烈影响着重编程效率及所需的重编程因子，而且不同来源的iPS细胞在致癌性上也有很大的差异。尽管人类的iPS细胞可以通过仅仅转染Oct3/4而从神经前体细胞中得到，鉴于获取这种细胞需要侵入性的手术，常规性地获取神经组织依然很困难。

在iPS产生之前，模拟人类遗传疾病的方法仅有建立动物模型和从遗传疾病的患儿胚胎中提取ES细胞的方法，后者不仅疾病出生前诊断困难也面临着伦理学的问题。人类成纤维细胞向iPS细胞的成功转换给模拟人类疾病提供了新的手段。研究人员已尝试从遗传疾病的患者中诱导iPS细胞的产生，从而在体外通过“reverse translation”完成疾病病理生理学的机制性研究，迄今已取得了一定进展。

2008年Park等首次报道了从腺苷脱氨酶缺乏性重度联合免疫缺陷症、Shwachman-Bodian-Diamond综合征、戈谢病、帕金森病、亨廷顿病、唐氏综合征、青少年1型糖尿病患者的受损体细胞中都可成功诱导产生iPS细胞，大大推动了iPS细胞在不健康源细胞中建立的研究。随后科学家又在脊髓性肌萎缩和家族性自主神经异常患者中分离体细胞并诱导成iPS细胞。迄今许多从患者中建立的人类iPS细胞系已获得成功。在大多数的案例中，这些iPS细胞具有向源疾病相关的病变细胞再次分化的潜力，表现疾病的特征表型。使用这些iPS细胞，研究人员实现了体内病变过程的体外模拟，从而使“disease in a dish”变为现实。进一步从更多类型的疾病患者中分离iPS细胞的研究仍在进行。