2.1 通过多个转录因子重编程为多能性 一些因子分化表达在不同细胞系将有助于维持特定细胞系。这个假说引起了一个研究在胚胎干细胞鉴定24个候选转录因子，同时表达在成纤维细胞，决定是否它们能传递多能表型，然后渐渐减少数量，用最少的因子诱导多能性，导致突破发现了诱导性多能干细胞。成纤维细胞能第一次重编程为多能细胞通过强制表达4个特定因子：Oct3/4，Sox2，Klf4和c-Myc
[23]。这些细胞注射到囊胚形成了所有3个胚层并发育成有机体，可以用来产生各种细胞类型用于组织再生。诱导性多能干细胞和胚胎干细胞能被直接分化成各种细胞类型，通过用特定的因子比如骨形态发生蛋白，Activin，Wnts和成纤维生长因子。
诱导多能干细胞与胚胎干细胞相似：克隆边界清楚、细胞核质比高、能无限增殖并维持不分化状态、具备向3个胚层分化的潜能。重编程技术无需经过胚胎阶段，即可使体细胞重编程进入全能干细胞状态，为细胞再生技术走向临床治疗奠定了基础。
2.2 直接重编程细胞从一种类型到另一种类型 直接重编程理论使容易获得的患者来源的细胞比如成纤维细胞用于器官修复，而不需要获得多能干细胞。几乎生物体的每一个细胞都具有该物种的全套遗传物质，具备发育成完整个体的全部基因，而不同的基因表达模式是形成各种功能细胞的基础。通过强制表达系特异转录因子，促进重编程到各种细胞类型，比如骨骼肌
[24]、肝细胞
[25]、神经元
[26]、胰腺胰岛细胞
[27]、上皮细胞
[28]、平滑肌细胞
[29]、心肌
[30]。直接重编程在概念上有吸引力因为它不要求转化到多能状态，直接从一种细胞系转化到另一种。尽管几个不同类型的细胞进行了直接重编程到许多不同细胞类型[31]，主要集中在直接重编程成纤维细胞，它们总是独特的、充分的、容易用于临床。
2.3 直接重编程成纤维细胞为神经元 直接重编程成纤维细胞为神经元样细胞，通过过表达已知是神经元特异的19个病毒的后选基因库，在神经元分化中起作用，意义在于表观重编程。通过移除特异后选基因和重复转导，进一步证明最小组合3个转录因子Ascl1，Brn2和Myt1l能快速重编程胚胎和新生鼠成纤维细胞为神经元样细胞，表达多个成纤维特异蛋白，能形成功能轴突。大部分是皮质的、谷氨酸激动神经元。后来的研究证明组合Ascl1，Lmx1a，Nurr1能转化鼠成纤维细胞为多巴氨能神经元。组合Ascl1，Brn2，Myt1l，Lhx2，Hb9，Isl1，Ngn2能转换鼠成纤维细胞为运动神经元，组合Brn2，Sox2，Foxg2能转化鼠成纤维细胞为神经前体细胞。Ascl1，Brn2和Myt1l直接在体内转化纹状体星形细胞为神经元。NeuroD也表明脑损伤后在脑皮质里直接重编程活性的胶质细胞为功能神经元
[32]。
在人类成纤维细胞也表明各种组合因子比如Ascl1，Brn2，Myt1l和NeuroD1；Ascl1，Myt1l，NeuroD2，miR-9/9，miR-124或Brn2，Myt1l，miR-124可以重编程这些细胞为谷氨酸能神经元。一群5个因子(Ascl1，Brn2，Myt1l，Olig2，Zic1)也能重编程人皮肤成纤维细胞为谷氨酸能神经元。相似的组合Ascl1，Brn2，Myt1l，Lmx1a，Foxa2或组合Ascl1，Lmx1a，Nurr1能促进从人成纤维细胞形成多巴胺能神经元。人成纤维细胞通过组合Ascl1，Brn2，Myt1l，Lhx2，Hb9，Isl1，Ngn2可以直接重编程为运动神经元
[33]。
2.4 直接重编程成纤维细胞为心肌细胞 鼠成纤维细胞可以直接重编程为诱导的心肌样细胞。一群14个候选因子显示可诱导心肌样细胞，然后被减少到组合Gata4，Mef2c和Tbx5(GMT)。仅有少量成纤维细胞被直接重编程，尽管它们有心肌细胞的特征，它们的转录形式是独特的，不同于先天的心肌细胞。另外，仅有少量细胞可以自发收缩，另一个用不同方法短暂表达多能因子Oct4，Sox2，Klf4和c-Myc，然后用特定的培养条件培养细胞，在干细胞领域促进心肌分化，包括JAK 抑制剂JI1。另一个组报告GMT因子组合能诱导心肌基因表达，但不能产生收缩细胞。两个后来的研究，证明反转录病毒表达GMT转录因子能在心肌损伤位点直接重编程成纤维细胞，减少梗死体积，特别当连接胸腺素β4。如果转录因子Hand2加入连接GMT，直接重编程鼠成纤维细胞更有效。后来的研究评价了3个因子组合的效果，从一群10个后选因子并确定Tbx5，Mef2c和Myocardin比Gata4，Mef2c和Tbx5诱导更广泛谱的心肌基因。其他人也进一步优化重编程，发现增加Myocardin，SRF，Mesp1，Smarcd2 到 Gata4，Mef2c，Tbx5可以增强这个过程。为了改善获得功能心肌细胞的相似性，另一个组用成纤维细胞含钙敏感GFP报告子，发现组合Hand2，Nkx2-5，Gata4，Mef2c，Tbx5可以重编程成体鼠成纤维细胞比GMT单独更有效50倍，诱导的心肌细胞证明有力的钙振动和自发跳动。一个跟踪研究表明用这些因子直接重编程进一步增强，通过抑制组蛋白修饰
[34]。
直接重编程人成纤维细胞为心肌样细胞也被报告，但需要不同的因子。强制表达转录因子Ets2和Mesp1或重组ETS2和MESP1蛋白用细胞渗透肽修饰是足够转化人新生的包皮成纤维细胞为心肌前体。转录因子Gata4，Hand2，myocardin，Tbx5连接小RNAmiR-1 和miR-133能够直接重编程新生包皮，成人心肌，成人皮肤成纤维细胞为心肌样细胞。miR-133的功能是抑制Snai1和成纤维基因
[35]。增加Myocardin 和Mesp1到GMT使人心肌成纤维细胞重编程为心肌样细胞，表达广泛的心肌基因，显示钙振动。GMT因子连结MESP1 和ESRRG也能直接重编程几种类型的人成纤维细胞为心肌样细胞。
这些研究证明多个转录因子和microRNAs有助于直接重编程成纤维细胞。在这些研究中的差异是缺少一致的准则评定重编程的程度
[30]。
2.5 直接重编程的分子机制 直接重编程的机制没有完全了解，很好地建立了转录因子的过程，microRNAs有助于直接重编程。还不清楚细胞怎样维持而防止发展为不适当的细胞类型。这个过程包括活化靶基因，常常发生在几小时到几天，直接重编程从一种状态到另一种，不需要经过多能状态，不需要细胞分化，对比诱导多能性，在移去重编程因子后是稳定的
[22，36]。一直认为对特定的转录因子基因组编码许多连接位点，但是在细胞类型特异的形式，局部染色质结构仅允许特定位点被接近。造血转录因子Scl/Tal在不同造血细胞类型连接不同位点，基因组不接近转录因子，为了达到重编程，不仅重编程因子必需发现适当的连接位点，重塑染色质适当的允许辅助因子连接和活化细胞型特异过程。这个挑战可以解释在直接重编程，多个转录因子共同起作用，通过基因组重塑多个区域。另一个假说是重编程因子作为先驱转录因子，能连接它们的天然位点而不管染色质结构。先驱因子能连接它们的天然位点并替代核酸，因此为其他因子连接创造了被动的环境。假定一些细胞类型不能直接重编程，而它们相关的细胞更易重编程，很可能最初染色质接近或开放接近是必需的。异位MyoD能在开始24 h快速连接增强子元素，接着在48 h获得H3K4me标志
[37]。
直接重编程到不同细胞类型通常效率很低，另外，成功重编程常常需要高水平表达重编程因子，相应地，另一个推测重编程机制，包括在核质翻转或其他机制，短暂接近转录因子连接位点，其中DNA以随机形式变得可接近，比如在细胞循环的不同期
[26]。
2.6 当前局限和未来挑战 除了低效，另一个直接重编程的主要局限是呈递表观记忆的。尽管重编程到另一种细胞类型时诱导基因表达一致，在很多情况下，一些残余基因对最初存在的细胞类型表达特异，诱导的神经元来源于肝细胞仍然表达一些肝细胞特异基因，而诱导的巨噬细胞来源于成纤维细胞仍然表达一些成纤维基因，在许多报告的直接重编程，只有少量靶基因被评定，在这种情况下更多彻底的转录分析被进行，在基因表达形式与天然细胞存在有意义地差异
[36]。
用多能因子在早期直接重编程，接着用细胞型特异因子促进成纤维细胞分化为心肌细胞是一个有前景的替代方法。这个方法考虑诱导可塑性短暂状态，更能直接重编程不需要充分诱导多能性，比直接重编程更有效。然而，到目前为止，这个方法是有限的，通过重编程细胞获得持续多能标志，获得的细胞有心房心肌细胞的特点。总之，直接重编程细胞的表型常常不成熟，对比充分分化的天然细胞，在感兴趣的目标器官中，这可能限制了它们在再生医学的应用。特别对心肌细胞，不完全分化可能防止适当的电和机械的结合，导致心率失常和可能的心衰。在体外，维他命C酸、重组人白蛋白、其他小分子促进再生医学发展。利用小分子和化学定义条件促进直接重编程被很好地建立
[38-40]。
