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多能性，是依靠自我更新的过程来维持的：自我更新使胚胎干细胞可以复制自己而又不失去分化的能力，从而保持多能性。这可以通过对称和非对称细胞的过程实现。在体外，胚胎干细胞通过对称进行自我更新；在体内，往往组织干细胞自我更新通过不对称产生一个完全拷贝和另一个分化细胞。

在实验中，胚胎干细胞必须在特定条件下生长以保持多能性状态。小鼠胚胎干细胞需要培养在一层饲养层细胞上，该饲养层细胞大概向胚胎干细胞提供了一些未知的因子。此外，LIF或其它细胞因子也需要经常补充，以防止胚胎干细胞进行自发性分化。自发性分化是在日常ES细胞培养时遇到的基本问题。人类胚胎干细胞似乎有不同的细胞因子要求。人类胚胎干细胞需要成纤维细胞生长因子以防止分化，去除饲养层细胞或细胞因子均会导致自发分化和多能性的丧失。

分化是多能性表现的过程，如由胚胎干细胞生体的所有220个左右的细胞类型。分化过程中，干细胞选择一个细胞谱系之后，同时也失去分化到其余细胞谱系的能力。

重编程是将分化的细胞转换回多能性细胞，有效地逆转分化的过程。在实验上，重编程已经通过体细胞核移植（克隆）进行了验证。最近，诱导多能性干细胞技术也完成了相同的壮举，通过向成体细胞引入包括Oct4和Sox2的多能性因子使其逆转到一个多能性阶段（见下文）。总而言之，自我更新、分化和重编程可以被看作是三个不同的方面，即多能性的维护、表现和获取（图11A ）。

2. 控制干细胞多能性的转录因子

oct4是第一个被确定为多能性主要调节者的基因。Nichols等人表明，oct4缺陷的胚胎能够发育至囊胚阶段，但内细胞团细胞并不具有多能性。事实上，oct4最初是Scholer等发现的。它是小鼠八聚体基序结合蛋白家族的一个成员，这种八聚体基序是一种在许多基因启动子和增强子中发现的转录调控元件。Oct4的表达谱表明，它可能调节细胞早期发育的命运。生化上，Oct4已被证明是一种DNA结合蛋白，具有一个由324个氨基酸的开放阅读框编码的双边POU/同源域。Oct4依赖于在DNA结合结构域侧翼的两个反向激活结构域来发挥其转录活性。Oct4蛋白在细胞质中合成，通过一个典型的核定位信号运送到细胞核。该核定位信号是其转录活性所需的，其消除导致产生一个负显性形式的Oct4，这个负显性形式Oct4能够通过干扰野生型Oct4活动诱导胚胎干细胞分化。

在胚胎干细胞，Oct4似乎以剂量依赖性的方式调节细胞命运。使用条件表达和抑制系统，Niwa等表明，Oct4的活动水平指定了胚胎干细胞的三个不同的命运：1）表达量增加2倍将会使ES细胞转化为原始内胚层和中胚层；2）抑制oct4会诱导滋养外胚层的形成；3）只有一个最佳数量的Oct3/4可维持干细胞自我更新。这些结果表明，胚胎干细胞拥有一个形成网络的调节机制来保持Oct4表达处于最佳水平，从而确保多能性。

有多少转录因子参与调节oct4表达呢？这一问题是几个研究组根据oct4必须保持在一个狭窄的表达水平范围内以确保干细胞多能性这一看法所提出的。Nanog的发现提供了一个明确的Oct4调节候选者。根据Tir Nanog的名字命名的Nanog，被发现具有在缺乏白血病抑制因子（LIF）的情况维持干细胞自我更新的能力。虽然最初认为Nanog是通过抑制分化基因表达，进而实现在没有LIF情况下阻止胚胎干细胞的分化，但一个简单的报告基因分析表明，Nanog拥有两个强大的转录激活子，这暗示Nanog可能激活oct4表达。事实上，对于oct4启动子，Nanog是一个强有力的激活子，并由此参与调节胚胎干细胞oct4的表达（图11B）。

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