17第十六章干細(xì)胞與組織維持和再生唐霓

1、第十六章第十六章 干細(xì)胞與組織的干細(xì)胞與組織的維持和再生維持和再生（stem cell and tissue regeneration）概述概述 第一節(jié)第一節(jié) 干細(xì)胞基礎(chǔ)生物學(xué)干細(xì)胞基礎(chǔ)生物學(xué)第二節(jié)第二節(jié) 胚胎干細(xì)胞和組織干細(xì)胚胎干細(xì)胞和組織干細(xì)胞胞第三節(jié)第三節(jié) 干細(xì)胞干細(xì)胞“干性干性”的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)機(jī)制機(jī)制第四節(jié)第四節(jié) 干細(xì)胞與疾病的關(guān)系干細(xì)胞與疾病的關(guān)系第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)胞重編程及誘導(dǎo)多能細(xì)胞重編程及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞干細(xì)胞內(nèi)容內(nèi)容概概 述述 再生（regeneration） 部分缺失或者受損的組織器官重新生長并保持較完整的生理功能的過程。組織修復(fù)組織再生 物種的再生能力與組織和器官的分化程度相反

2、物種的再生能力與組織和器官的分化程度相反 低等生物的肢體再生 成人組織器官損傷后的再生 組織的維持和再生與干細(xì)胞密切相關(guān)組織的維持和再生與干細(xì)胞密切相關(guān) 胚胎干細(xì)胞是目前已知分化功能最為強(qiáng)大的干細(xì)胞。 組織干細(xì)胞保持著自我更新和分化的潛能，維持組織器官的穩(wěn)態(tài)平衡。一、干細(xì)胞是具有自我更新與分化潛能的未分化或低分一、干細(xì)胞是具有自我更新與分化潛能的未分化或低分 化細(xì)胞化細(xì)胞第一節(jié)第一節(jié) 干細(xì)胞基礎(chǔ)生物學(xué)干細(xì)胞基礎(chǔ)生物學(xué) （ stem cell biology）干細(xì)胞具有“無限” 的增殖能力，能夠產(chǎn)生與母代細(xì)胞完全相同的子代細(xì)胞，維持該干細(xì)胞種群。 自我更新分化潛能 干細(xì)胞能分化生成不同表型的成熟

3、細(xì)胞，例如胚胎干細(xì)胞可以分化形成個體的所有成熟細(xì)胞類型。干細(xì)胞的獨(dú)特增殖方式干細(xì)胞具有獨(dú)特的增殖方式，即非對稱分裂（干細(xì)胞具有獨(dú)特的增殖方式，即非對稱分裂（asymmetric asymmetric divisiondivision）。干細(xì)胞通過非對稱分裂產(chǎn)生與一個與母代細(xì)胞完全相）。干細(xì)胞通過非對稱分裂產(chǎn)生與一個與母代細(xì)胞完全相同的子代細(xì)胞，以保持干細(xì)胞穩(wěn)定；同時還產(chǎn)生過渡放大細(xì)胞（同的子代細(xì)胞，以保持干細(xì)胞穩(wěn)定；同時還產(chǎn)生過渡放大細(xì)胞（tata細(xì)胞），再由過渡放大細(xì)胞經(jīng)過若干次分裂，最終產(chǎn)生分化細(xì)胞。細(xì)胞），再由過渡放大細(xì)胞經(jīng)過若干次分裂，最終產(chǎn)生分化細(xì)胞。二、干細(xì)胞具有區(qū)別于其他類型細(xì)二

4、、干細(xì)胞具有區(qū)別于其他類型細(xì)胞胞 的重要生物學(xué)特征的重要生物學(xué)特征 （一） 干細(xì)胞具有“無限”的自我更新能力 （二）多向分化潛能是干細(xì)胞的另外一個主要特征 （三）干細(xì)胞具有未分化或低分化特性 根據(jù)細(xì)胞所處的發(fā)育階段和發(fā)生學(xué)來源的發(fā)育階段和發(fā)生學(xué)來源的不同，分為胚胎干細(xì)胞、組織干細(xì)胞和生殖干細(xì)胞。三、干細(xì)胞具有不同的分類方法三、干細(xì)胞具有不同的分類方法 根據(jù)細(xì)胞分化潛能分化潛能不同，分為全能干細(xì)胞（totipotent stem cells）、多能干細(xì)胞（pluripotent stem cells， 或multipotent stem cells）和單能干細(xì)胞（unipotent stem c

5、ells）。（一）胚胎干細(xì)胞表達(dá)特征性的基因產(chǎn)物（一）胚胎干細(xì)胞表達(dá)特征性的基因產(chǎn)物和表面標(biāo)記分子和表面標(biāo)記分子四、干細(xì)胞的來源和組織類型不同決四、干細(xì)胞的來源和組織類型不同決定其獨(dú)特的生物學(xué)特征定其獨(dú)特的生物學(xué)特征 特征性基因產(chǎn)物如ssea-3，ssea-4,tra-1-60，tra-1-81,堿性磷酸酶等整合素如整合素6和1，連接蛋白43等 轉(zhuǎn)錄因子 如oct3/4，nanog，sox2 等 譜系定向分化能力 （二）組織干細(xì)胞具有組織定向分化能力（二）組織干細(xì)胞具有組織定向分化能力 和特定組織定居能力和特定組織定居能力 特定組織定居的能力組織干細(xì)胞進(jìn)一步分化為專能祖細(xì)胞，最終成為終末分化細(xì)

6、胞。細(xì)胞分化的過程是組織干細(xì)胞獲得特定組織細(xì)胞形態(tài)、表型以及功能特征的過程。 組織干細(xì)胞可對組織再生的特異刺激和信號分子產(chǎn)生應(yīng)答，分化為特定類型的組織細(xì)胞，替代受損細(xì)胞或死亡細(xì)胞的功能。 神經(jīng)干細(xì)胞 nestin、cd133和cd24等組織干細(xì)胞的特征性表面分子組織干細(xì)胞的特征性表面分子 骨髓間充質(zhì)細(xì)胞 cd29、cd44、cd166等 造血干細(xì)胞 ly6a/e（sca-1）、cd34和 cd133等 概念五、組織干細(xì)胞具有分化的可塑性五、組織干細(xì)胞具有分化的可塑性組織干細(xì)胞跨系譜甚至跨胚層分化的潛能，稱為組織干細(xì)胞的可塑性(plasticity) 。如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以跨胚層向肝臟、心肌、

7、胰腺或神經(jīng)細(xì)胞分化，而肌肉、神經(jīng)干細(xì)胞也可以向造血干細(xì)胞分化。 組織干細(xì)胞和多能干細(xì)胞用圓形表示，分化細(xì)胞用方組織干細(xì)胞和多能干細(xì)胞用圓形表示，分化細(xì)胞用方形表示。形表示。 （一）（一） 胚胎干細(xì)胞主要來源于植入前胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)胚胎干細(xì)胞主要來源于植入前胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán) 六、干細(xì)胞的來源、定位和功能六、干細(xì)胞的來源、定位和功能 胚胎干細(xì)胞的來源與早期分化胚胎干細(xì)胞的來源與早期分化 胚胎期血液系統(tǒng)的發(fā)育是一個動態(tài)過程 （二）（二） 胚胎期胚層細(xì)胞分化以后形成組織干細(xì)胞的前胚胎期胚層細(xì)胞分化以后形成組織干細(xì)胞的前 體細(xì)胞體細(xì)胞 小鼠造血系統(tǒng)發(fā)育的第一個部位是胚外卵黃囊，隨后是胚內(nèi)的主動脈-性腺-中腎區(qū)（

8、aorta-gonad-mesonephros，agm區(qū)），然后逐漸移位到胚胎期肝臟、骨髓，最后發(fā)育為成體的造血系統(tǒng)。 神經(jīng)干細(xì)胞出現(xiàn)在原腸胚期胚胎外胚層形成神經(jīng)組織以后 神經(jīng)板的誘導(dǎo)和神經(jīng)干細(xì)胞的出現(xiàn)都標(biāo)志 著形成神經(jīng)系統(tǒng)定向發(fā)育的胚系祖細(xì)胞 神經(jīng)干細(xì)胞的發(fā)育具有時間和空間調(diào)控的特點(diǎn) 概念 個體出生以后，組織干細(xì)胞（包括生殖干細(xì)胞）生活的特殊微環(huán)境稱為干細(xì)胞微環(huán)境，又稱為干細(xì)胞巢（stem cell niche）。不同組織類型的“干細(xì)胞微環(huán)境”的組成及定位不同。 七、干細(xì)胞微環(huán)境是干細(xì)胞維持自我七、干細(xì)胞微環(huán)境是干細(xì)胞維持自我更新和分化潛能的重要場所更新和分化潛能的重要場所 干細(xì)胞需要特殊的

9、微環(huán)境才能執(zhí)行正常的生理功能。如果將造血干細(xì)胞從其正常生存的微環(huán)境中分離，它們即喪失了自我更新的能力。 （一）（一） 干細(xì)胞需要特殊的微環(huán)境才能執(zhí)行正常的生理功能干細(xì)胞需要特殊的微環(huán)境才能執(zhí)行正常的生理功能 微環(huán)境還能調(diào)控干細(xì)胞的分化發(fā)育方向，例如，在不同信號途徑構(gòu)成的微環(huán)境中，干細(xì)胞能向不同的譜系細(xì)胞分化。 果蠅卵巢干細(xì)胞微環(huán)境 果蠅卵巢干細(xì)胞微環(huán)境 成年果蠅卵巢生殖干細(xì)胞（germline stem cell，gsc）位于卵巢原卵區(qū)的頂部，并被三種不同的基質(zhì)細(xì)胞群所包繞：端絲(terminal filament)、帽細(xì)胞(cap cell)以及內(nèi)鞘細(xì)胞（inner sheath cell）

10、。這三種基質(zhì)細(xì)胞以及基膜共同構(gòu)成gsc微環(huán)境，其中帽細(xì)胞通過e-cadherin介導(dǎo)的緊密連接將gsc固定在微環(huán)境中，與其他基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞信號分子如bmp、notch等共同調(diào)控gsc的生長和分化。（二）（二） 干細(xì)胞微環(huán)境包括多種組成成分干細(xì)胞微環(huán)境包括多種組成成分 信號分子:以自分泌或旁分泌的形式影響干細(xì)胞的增殖與分化。 細(xì)胞黏附分子:確保干細(xì)胞定居于微環(huán)境中，并接受信號分子的調(diào)節(jié)。 細(xì)胞外基質(zhì):對干細(xì)胞正常功能的維持提供了重要信號，并且可以直接調(diào)節(jié)干細(xì)胞的分化方向。 空間效應(yīng):空間結(jié)構(gòu)對保持適宜的干細(xì)胞數(shù)目和干細(xì)胞的定向分化發(fā)揮了重要作用。 干細(xì)胞微環(huán)境是由定位于組織內(nèi)的一群特殊細(xì)胞和

11、細(xì)胞外支持結(jié)構(gòu)組成 （三）（三） 干細(xì)胞微環(huán)境具有一些共同的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)干細(xì)胞微環(huán)境具有一些共同的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn) 一些重要的信號分子輔助干細(xì)胞定位于微環(huán)境 干細(xì)胞微環(huán)境能夠產(chǎn)生多種外源信號分子，調(diào)控干細(xì)胞分化及增殖 脊椎動物和哺乳動物干細(xì)胞微環(huán)境具有特定的結(jié)構(gòu) 骨髓干細(xì)胞微環(huán)境 八、干細(xì)胞生物學(xué)研究具有廣闊的應(yīng)用前景八、干細(xì)胞生物學(xué)研究具有廣闊的應(yīng)用前景 （一）（一） 干細(xì)胞為器官移植和組織工程提供了重要的干細(xì)胞為器官移植和組織工程提供了重要的 細(xì)胞來源細(xì)胞來源 （二）（二） 有望確定疾病病因并對疾病的治療提供新的有望確定疾病病因并對疾病的治療提供新的 手段手段 （四）（四） 有助于篩選新藥

12、及建立新的模型系統(tǒng)有助于篩選新藥及建立新的模型系統(tǒng) 第二節(jié)第二節(jié) 胚胎干細(xì)胞、組織干細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞、組織干細(xì)胞和生殖干細(xì)胞生殖干細(xì)胞 一、一、 胚胎干細(xì)胞具有胚胎干細(xì)胞具有“無限無限”的增殖能力和多向分化潛的增殖能力和多向分化潛能能（一）（一） 胚胎干細(xì)胞的分離、體外培養(yǎng)和鑒定胚胎干細(xì)胞的分離、體外培養(yǎng)和鑒定 哺乳動物胚胎干細(xì)胞的分離培養(yǎng)技術(shù)的建立 細(xì)胞因子lif維持小鼠es細(xì)胞干性人類es細(xì)胞與小鼠es細(xì)胞的比較人類es細(xì)胞小鼠es細(xì)胞形態(tài)扁平的、有明顯細(xì)胞邊界的克隆 緊密聚集型，形成圓頂樣克隆 分化差異體外培養(yǎng)條件下較容易分化，并形成多種原始干細(xì)胞和部分處于不同分化階段幼稚細(xì)胞的多克隆

13、體外培養(yǎng)條件下較容易分化培養(yǎng)條件加入細(xì)胞因子lif不能完全替代飼養(yǎng)細(xì)胞的作用 細(xì)胞因子lif不能完全替代飼養(yǎng)細(xì)胞的作用（二）胚胎干細(xì)胞體外分化首先形成胚狀體（二）胚胎干細(xì)胞體外分化首先形成胚狀體 小鼠es細(xì)胞的體外分化 采用stat-gp130抑制劑 加入維甲酸（retinoic acid）和二甲基亞楓（dmso） 體外懸浮培養(yǎng) 形成eb三種胚層細(xì)胞種系細(xì)胞（缺乏胚胎發(fā)育的定位信號） 目前已經(jīng)成功地誘導(dǎo)es細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、胰島素分泌細(xì)胞等終末細(xì)胞分化，上述細(xì)胞移植物在動物體內(nèi)存活并整合入受體組織，可以替代受損組織的部分生理功能。 （三）胚胎干細(xì)胞可以誘導(dǎo)分化為任何一種組織細(xì)胞（三）胚

14、胎干細(xì)胞可以誘導(dǎo)分化為任何一種組織細(xì)胞二、組織干細(xì)胞的分化受到精密而復(fù)雜的調(diào)控二、組織干細(xì)胞的分化受到精密而復(fù)雜的調(diào)控 （一）造血干細(xì)胞啟動造血并分化形成所有譜系血液細(xì)胞（一）造血干細(xì)胞啟動造血并分化形成所有譜系血液細(xì)胞 1. 胚胎發(fā)育不同時期造血干細(xì)胞的定位（詳見本章第一節(jié)）2. 造血干細(xì)胞的分化是等級式分階段分化過程 造血干細(xì)胞（hsc）的分化是典型的等級式分化過程，hsc首先分化形成多能造血祖細(xì)胞，然后分化為髓系干細(xì)胞和淋巴系干細(xì)胞，髓系干細(xì)胞分化形成紅細(xì)胞、血小板、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞，而淋巴系細(xì)胞則形成t細(xì)胞，b細(xì)胞，nk細(xì)胞等。 3. hsc特征表面標(biāo)記分子 人類hsc比較明確的主

15、要表面標(biāo)志物為cd34+、lin-、c-kit+、sca-1+，其他表面分子還包括thy-1, il-7r, flt3, cd150等。 （二）間充質(zhì)干細(xì)胞主要棲息于骨髓，能分化形成中（二）間充質(zhì)干細(xì)胞主要棲息于骨髓，能分化形成中胚層細(xì)胞胚層細(xì)胞1. 間充質(zhì)干細(xì)胞的表型特征 hmsc呈紡錘形，為成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞，能黏附于培養(yǎng)塑料表面，在體外培養(yǎng)初始階段形成克隆。 形態(tài)標(biāo)志物cd73、cd105、stro-1、vcam-1 2. 間充質(zhì)干細(xì)胞的體外誘導(dǎo)分化 間充質(zhì)干細(xì)胞的體外誘導(dǎo)分化間充質(zhì)干細(xì)胞的體外誘導(dǎo)分化3. msc的應(yīng)用 msc局部移植治療 組織器官的系統(tǒng)移植 干細(xì)胞的基因治療 組織工程中

16、msc的應(yīng)用 器官移植的排斥反應(yīng)中起免疫調(diào)節(jié)作用 （三）皮膚干細(xì)胞維持體表屏障結(jié)構(gòu)和功能的完整（三）皮膚干細(xì)胞維持體表屏障結(jié)構(gòu)和功能的完整皮膚干細(xì)胞表皮干細(xì)胞毛囊干細(xì)胞、毛囊黑素干細(xì)胞真皮中分離的間充質(zhì)干細(xì)胞皮膚毛囊干細(xì)胞、肝和小腸干細(xì)胞的定位及分化調(diào)控皮膚毛囊干細(xì)胞、肝和小腸干細(xì)胞的定位及分化調(diào)控 皮膚干細(xì)胞的特征皮膚干細(xì)胞的特征 細(xì)胞增殖緩慢，主要體現(xiàn)在活體細(xì)胞標(biāo)記滯留； 自我更新能力強(qiáng)，體外培養(yǎng)條件下，毛囊干細(xì)胞能增殖形成較大的克隆群； 通過整合素與表皮基底膜緊密相連。 1. 皮膚表皮干細(xì)胞的表面標(biāo)志物 整合素 運(yùn)鐵蛋白受體（transferrin receptor） 角蛋白（kerat

17、in，ck） c-myc和p63 2. 調(diào)控毛囊干細(xì)胞分化發(fā)育的重要信號分子 wnt 信號 胚胎期皮膚多能干細(xì)胞接受wnt信號調(diào)控。 參與成年哺乳動物上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)重塑和毛 囊的形成。 bmp 和hh 信號毛囊干細(xì)胞微環(huán)境中，上述信號分子協(xié)同作用，相互平衡，精細(xì)調(diào)控皮膚干細(xì)胞的分化發(fā)育。 （四）（四） 肝干細(xì)胞的分化是一個嚴(yán)密調(diào)控的復(fù)雜變化過程肝干細(xì)胞的分化是一個嚴(yán)密調(diào)控的復(fù)雜變化過程1. 肝干細(xì)胞的起源和定位胚胎發(fā)育過程中，肝原基（liver bud）起源于前腸內(nèi)胚層，胚胎期和新生兒期肝干細(xì)胞位于導(dǎo)管板（ductal plate）內(nèi)，可以定向分化為肝細(xì)胞和膽管上皮細(xì)胞。成年肝干細(xì)胞位于heri

18、ng管區(qū)域內(nèi)，直接參與肝臟的生長和發(fā)育，同時也是肝細(xì)胞再生的重要細(xì)胞來源。 2. 調(diào)控肝干細(xì)胞分化的重要信號分子 hex、foxa2、bmp、hnf4等是調(diào)控肝臟發(fā)育的重要信號分子。3. 肝干細(xì)胞的特征性標(biāo)志物 肝干細(xì)胞角蛋白19（ck19）神經(jīng)細(xì)胞黏附分子（ncam）上皮細(xì)胞黏附分子（epcam）claudin-3(cldn-3)liv2、dlk-2肝祖細(xì)胞甲胎蛋白（afp）alb基因4. 肝干細(xì)胞的誘導(dǎo)分化 成體肝組織內(nèi)分離得到具有向肝細(xì)胞和膽管上皮細(xì)胞雙向分化特性的肝干細(xì)胞。 體外胚胎干細(xì)胞向肝細(xì)胞的定向誘導(dǎo)分化： 主要經(jīng)過胚狀體形成內(nèi)胚層特定分化肝祖細(xì)胞形成類肝細(xì)胞成熟四階段形成肝樣細(xì)

19、胞。 （五）（五） 其他干細(xì)胞的自我更新與分化同樣受到精密其他干細(xì)胞的自我更新與分化同樣受到精密 調(diào)控調(diào)控 1. 神經(jīng)干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)及意義 1992年brent a. reynolds和samuel weiss從成年小鼠側(cè)腦室膜下區(qū)分離出能夠不斷增殖并具有分化潛能的細(xì)胞。 神經(jīng)干細(xì)胞的特征性表面標(biāo)志物包括神經(jīng)細(xì)胞中間絲蛋白，即巢蛋白（nestin），以及波形蛋白（vimentin）、膠質(zhì)細(xì)胞原纖維酸性蛋白 （gfap）等。2. 小腸干細(xì)胞的增殖與分化 小腸干細(xì)胞位于小腸隱窩底部，分散于潘氏細(xì)胞周圍，隱窩干細(xì)胞的數(shù)目約占0.4%0.6%，每一個隱窩大約包括了46個小腸干細(xì)胞。 小腸干細(xì)胞接受微環(huán)境

20、中信號分子的調(diào)控，以確保小腸行使正常的生物學(xué)功能。 小腸干細(xì)胞的主要生物學(xué)特征。 三、三、生殖干細(xì)胞維持了生物種代間的延生殖干細(xì)胞維持了生物種代間的延續(xù)性續(xù)性胚胎來源的胚胎生殖細(xì)胞成體組織來源的生殖干細(xì)胞生殖干細(xì)胞生殖干細(xì)胞是形成成熟配子體（精子或卵子）的前體細(xì)胞，通常認(rèn)為其起源于原始生殖細(xì)胞(primordial germ cell，pgc)。 （一）原始生殖細(xì)胞是各級生殖母細(xì)胞和成熟配子（一）原始生殖細(xì)胞是各級生殖母細(xì)胞和成熟配子的共同祖先的共同祖先 原始生殖細(xì)胞的來源 多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為其來源于胚胎外胚層，但人類原始生殖細(xì)胞可能起源于靠近尿囊基部的卵黃囊背側(cè)內(nèi)胚層。 精原干細(xì)胞的發(fā)育與分化（二

21、）原始生殖細(xì)胞具有特征性的表面標(biāo)志物（二）原始生殖細(xì)胞具有特征性的表面標(biāo)志物 人類原始生殖細(xì)胞高表達(dá)堿性磷酸酶、糖脂類sseas、糖蛋白tra-1-60、tra-1-81、ema-1、轉(zhuǎn)錄因子oct-4及端粒末端轉(zhuǎn)移酶（htert）。 pgc的分化需要bmp和轉(zhuǎn)化生長因子超家族成員的協(xié)同作用。 第三節(jié)第三節(jié) 干細(xì)胞干細(xì)胞“干性干性”的調(diào)控機(jī)制的調(diào)控機(jī)制 一、細(xì)胞外信號分子通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)一些重一、細(xì)胞外信號分子通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)一些重 要轉(zhuǎn)錄因子來維持干細(xì)胞要轉(zhuǎn)錄因子來維持干細(xì)胞“干性干性” 胚胎干細(xì)胞主要通過細(xì)胞外信號分子調(diào)控細(xì)胞內(nèi)一些重要轉(zhuǎn)錄因子，促進(jìn)干細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞分化關(guān)鍵基因的表達(dá)水平，

22、維持胚胎干細(xì)胞未分化狀態(tài)。目前已知的主要細(xì)胞外因子包括白血病抑制因子lif（leukemia inhibiting factor），bmp4等，細(xì)胞內(nèi)重要的轉(zhuǎn)錄因子包括stat3、oct3/4，sox-2和nanog等。 （一） lif是目前唯一明確的保持小鼠干細(xì)胞干性的 重要細(xì)胞因子 lif-stat信號通路圖信號通路圖 stat3 ：稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和活化轉(zhuǎn)錄因子。oct3/4： 最早稱為oct-3或oct-4，現(xiàn)統(tǒng)一命名為oct3/4，由pou5f1 基因編碼，屬于pou家族v 型轉(zhuǎn)錄因子。sox-2：sox (sry-related hmg box-containing)是sry-相關(guān)轉(zhuǎn)錄

23、因子家族的成員 ，和oct-3/4相互協(xié)同調(diào)節(jié)下游靶基因。nanog：是最近鑒定的維持干細(xì)胞未分化狀態(tài)的重要轉(zhuǎn)錄因子。 （二）一些重要的轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控干細(xì)胞的未分化狀態(tài)小鼠es細(xì)胞“干性”的維持主要通過三個水平進(jìn)行：第一是外源重要信號分子如lif或bmp等，第二是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子主要包括oct3/4、nanog、sox2，第三是調(diào)控細(xì)胞重要生命活動（包括細(xì)胞周期、端粒酶活性、細(xì)胞凋亡或分化等）的重要基因的功能。 二、干細(xì)胞“干性”的維持有賴于細(xì)胞內(nèi)復(fù) 雜的協(xié)同反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò) nanog、oct3/4以及sox2在相同靶基因啟動子區(qū)重疊出現(xiàn)的幾率非常高。 nanog、oct3/4以及sox2還能分別

24、與各自的啟動子結(jié)合，形成交互作用的自我調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，維持干細(xì)胞的未分化特性。 上述三種轉(zhuǎn)錄因子還存在自身負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。三、細(xì)胞外信號分子通過胞內(nèi)重要的信細(xì)胞外信號分子通過胞內(nèi)重要的信號號 途徑參與調(diào)控干細(xì)胞的自我更新與途徑參與調(diào)控干細(xì)胞的自我更新與分分 化潛能化潛能 （一）（一） tgf-/bmp信號在干細(xì)胞的發(fā)育中起重信號在干細(xì)胞的發(fā)育中起重要作用要作用 （1） tgf-家族調(diào)控胚胎干細(xì)胞的增殖與分化（2）對造血干細(xì)胞分化的影響 （3）對間充質(zhì)干細(xì)胞分化的調(diào)控 tgf-/bmp和和wnt/catenin信號途徑信號途徑（二）（二） wnt是干細(xì)胞正常分化與增殖所需的重要細(xì)是干細(xì)胞正常分化與增殖

25、所需的重要細(xì)胞胞 因子因子 wnt信號經(jīng)典通路調(diào)控干細(xì)胞的自我更新與增殖 wnt信號在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的重要作用 wnt信號通路對造血干細(xì)胞的分化與發(fā)育 （三）（三）其他信號分子以網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方式調(diào)控干細(xì)胞的其他信號分子以網(wǎng)絡(luò)調(diào)控方式調(diào)控干細(xì)胞的增殖與分化增殖與分化 fgf信號調(diào)控胚胎干細(xì)胞的分化與發(fā)育，notch、hh信號參與神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖與分化等。 在不同組織干細(xì)胞微環(huán)境中，沒有任何一種信號分子對干細(xì)胞的生物學(xué)行為呈現(xiàn)單點(diǎn)、一一對應(yīng)的調(diào)控方式，都是通過不同信號分子的協(xié)同作用形成了復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)控干細(xì)胞的增殖與分化。 在不同類型的組織干細(xì)胞或干細(xì)胞發(fā)育的不同階段

26、，細(xì)胞內(nèi)特征性的組蛋白修飾，可以將基因組分割成為活化基因區(qū)、抑制基因區(qū)以及待活化區(qū)域，使基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)呈現(xiàn)獨(dú)特的模式，精細(xì)調(diào)控干細(xì)胞的分化與發(fā)育。四、四、表觀遺傳修飾參與調(diào)控干細(xì)胞的正表觀遺傳修飾參與調(diào)控干細(xì)胞的正常分化與發(fā)育常分化與發(fā)育 1. 組蛋白共價修飾在調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄中的重要的作用 組蛋白修飾調(diào)控染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄圖組蛋白修飾調(diào)控染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄圖通過組蛋白的不同修飾狀態(tài)，使染色質(zhì)處于不同的空間結(jié)構(gòu)通過組蛋白的不同修飾狀態(tài)，使染色質(zhì)處于不同的空間結(jié)構(gòu)如異染色質(zhì)、常染色質(zhì)以及轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)。組蛋白的甲基化如異染色質(zhì)、常染色質(zhì)以及轉(zhuǎn)錄活化狀態(tài)。組蛋白的甲基化修飾通常使目的基因的

27、轉(zhuǎn)錄處于封閉狀態(tài)，而組蛋白乙?；揎椡ǔＪ鼓康幕虻霓D(zhuǎn)錄處于封閉狀態(tài)，而組蛋白乙?；揎棇?dǎo)致染色質(zhì)緊密結(jié)構(gòu)松散，有利于基因的轉(zhuǎn)錄。修飾導(dǎo)致染色質(zhì)緊密結(jié)構(gòu)松散，有利于基因的轉(zhuǎn)錄。 2. dna甲基化修飾主要與基因抑制相關(guān) dna甲基化是另外一種表觀遺傳修飾方式，主要與基因抑制（gene suppression）相關(guān)。 未分化干細(xì)胞與進(jìn)入分化進(jìn)程的干細(xì)胞中重要功能基因的甲基化狀態(tài)不同。 3. mirna的作用的作用 micro rna（mirna）是非編碼蛋白的rna轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，長度約2025nt。 在es細(xì)胞分化過程中，mirna的表達(dá)譜發(fā)生動態(tài)改變。 基因表達(dá)調(diào)控的表觀遺傳修飾方式之間，以及這些

28、修飾方式與維系干細(xì)胞未分化特性的重要轉(zhuǎn)錄因子之間，存在著相互協(xié)調(diào)和相互影響的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，使得細(xì)胞內(nèi)某些重要功能基因被選擇性激活或抑制，共同調(diào)節(jié)干細(xì)胞的分化和發(fā)育。 第四節(jié)第四節(jié) 干細(xì)胞與疾病的關(guān)系干細(xì)胞與疾病的關(guān)系 一、傳統(tǒng)的腫瘤發(fā)生假說不能圓滿解釋腫瘤的發(fā)生一、傳統(tǒng)的腫瘤發(fā)生假說不能圓滿解釋腫瘤的發(fā)生 機(jī)制機(jī)制 腫瘤的發(fā)生是一種克隆進(jìn)化疾病。 腫瘤的發(fā)生是體細(xì)胞基因多階段突變積累和演變的過程，經(jīng)歷了起始（initiation）、積累（accumulation）和促進(jìn)（promotion）三個階段。 結(jié)腸癌的發(fā)生是典型的、研究較為透徹的基因突變積累過程的例子。 基因突變與基因突變與“克隆進(jìn)化克隆

29、進(jìn)化”假說不能完全假說不能完全解釋腫瘤的發(fā)生機(jī)制解釋腫瘤的發(fā)生機(jī)制 體細(xì)胞自發(fā)突變形成腫瘤的可能性比較小。 腫瘤的發(fā)生必須突破細(xì)胞靜止?fàn)顟B(tài)的限制，例如逃逸一些調(diào)控細(xì)胞周期關(guān)鍵分子的作用。 干細(xì)胞強(qiáng)大的增殖能力可以作為腫瘤細(xì)胞的重要來源，同時它們在體內(nèi)長期存在，也為基因的突變積累提供了基礎(chǔ)。 腫瘤發(fā)生的克隆選擇假說與腫瘤干細(xì)胞假說腫瘤發(fā)生的克隆選擇假說與腫瘤干細(xì)胞假說 二、腫瘤干細(xì)胞假說為腫瘤發(fā)生機(jī)制的二、腫瘤干細(xì)胞假說為腫瘤發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識提供了新的思路認(rèn)識提供了新的思路（一）（一） 腫瘤干細(xì)胞是腫瘤發(fā)生的原始細(xì)胞腫瘤干細(xì)胞是腫瘤發(fā)生的原始細(xì)胞 1994年john dick首先發(fā)現(xiàn)急性髓樣白血病

30、（aml）病人體內(nèi)存在腫瘤干細(xì)胞。 2003年發(fā)現(xiàn)了乳腺癌干細(xì)胞和腦腫瘤干細(xì)胞。 目前已經(jīng)在腸道腫瘤、骨肉瘤、肝癌等實體瘤以及血液系統(tǒng)腫瘤中發(fā)現(xiàn)了腫瘤干細(xì)胞。1. 腫瘤干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn) 2. 腫瘤干細(xì)胞的概念 腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cell, csc）也稱為腫瘤起源細(xì)胞（tumor-initiating cell），是從腫瘤組織中分離或鑒定的少數(shù)細(xì)胞，具有無限的自我更新和誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生的能力，是腫瘤產(chǎn)生的種子細(xì)胞。 腫瘤干細(xì)胞的生物學(xué)特征圖腫瘤干細(xì)胞的生物學(xué)特征圖 3. 腫瘤干細(xì)胞的表面標(biāo)志物 已經(jīng)鑒定的腫瘤干細(xì)胞表面標(biāo)志物腫瘤類別腫瘤類別細(xì)胞表面標(biāo)志物細(xì)胞表面標(biāo)志物amlcd34+c

31、d38-多發(fā)性骨髓瘤cd34-cd138-神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤cd133+乳腺癌cd44+cd24-/low結(jié)腸癌cd133+肝癌cd90+cd45-胰腺癌cd44+cd24+esa+頭頸部腫瘤cd44+lineage-4. 腫瘤干細(xì)胞與正常干細(xì)胞的比較 具有一些共同的表面標(biāo)志物 均具有體內(nèi)組織器官的遷移能力 均具有強(qiáng)大的自我更新能力 存在相似的、調(diào)節(jié)自我更新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 。 （二）（二） 干細(xì)胞異常分化和增殖導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生干細(xì)胞異常分化和增殖導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生 1. 干細(xì)胞未成熟分化和異常增殖與腫瘤干細(xì)胞未成熟分化和異常增殖與腫瘤 干細(xì)胞異常分化與腫瘤的發(fā)生干細(xì)胞異常分化與腫瘤的發(fā)生2. 腫瘤干細(xì)胞微

32、環(huán)境與腫瘤干細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境與腫瘤干細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境圖腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境圖 腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境中的信號異?；罨蛘呓Y(jié)構(gòu)改變，是腫瘤干細(xì)胞惡性表型的重要刺激因素 （小腸腺瘤細(xì)胞、皮膚毛囊腫瘤細(xì)胞和淋巴細(xì)胞性白血病細(xì)胞信號通路的異常 ） 腫瘤干細(xì)胞微環(huán)境與腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲的關(guān)系 （三）腫瘤干細(xì)胞概念為腫瘤發(fā)生機(jī)制和治療的研究（三）腫瘤干細(xì)胞概念為腫瘤發(fā)生機(jī)制和治療的研究開辟了新的路徑開辟了新的路徑 “腫瘤干細(xì)胞”與 “克隆進(jìn)化”假說相互補(bǔ)充，更好解釋了“克隆進(jìn)化”學(xué)說不能解釋的一些臨床現(xiàn)象。 腫瘤干細(xì)胞概念的提出不但加深了人們對腫瘤發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識，對腫瘤的治療研究也開辟了新的思路

33、。 三、三、 干細(xì)胞的衰老與老年疾病和退行性干細(xì)胞的衰老與老年疾病和退行性疾病的發(fā)生相關(guān)疾病的發(fā)生相關(guān) 機(jī)體衰老過程中出現(xiàn)細(xì)胞dna損傷和凋亡信號通路的活化 ，組織干細(xì)胞自我更新能力的減弱甚至組織干細(xì)胞的凋亡，或許與退行性疾病的發(fā)生密切相關(guān)。（詳見第十二章中細(xì)胞衰老） 第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)胞重編程及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞細(xì)胞重編程及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 一、體細(xì)胞重編程為干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)一、體細(xì)胞重編程為干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué) 的研究開辟了全新的領(lǐng)域的研究開辟了全新的領(lǐng)域 細(xì)胞重編程（reprogramming）能引導(dǎo)體細(xì)胞基因 表達(dá)向胚胎細(xì)胞或者其他類型細(xì)胞轉(zhuǎn)變。 細(xì)胞分化逆轉(zhuǎn)的最早證據(jù)來自于將體細(xì)胞核 導(dǎo)入去核卵

34、細(xì)胞的實驗研究。 細(xì)胞重編程的可能機(jī)制細(xì)胞重編程的可能機(jī)制 細(xì)胞重編程的進(jìn)程經(jīng)歷了一種中間細(xì)胞狀態(tài)； 調(diào)控es細(xì)胞分化與發(fā)育相關(guān)的染色質(zhì)修飾蛋白； 與某些維持干細(xì)胞未分化狀態(tài)的關(guān)鍵基因相關(guān)； 原癌基因如c-myc和klf4 可以促進(jìn)重編程； 細(xì)胞融合誘導(dǎo)的重編程還涉及染色質(zhì)蛋白的交換。 二、細(xì)胞重編程的新技術(shù)方法具有重大二、細(xì)胞重編程的新技術(shù)方法具有重大的理論意義和實用價值的理論意義和實用價值 （一）核轉(zhuǎn)移技術(shù)提供了實現(xiàn)體細(xì)胞分化 逆轉(zhuǎn)的重要手段 （二）體細(xì)胞與胚胎干細(xì)胞融合將表現(xiàn) 出多能干性 （三）細(xì)胞譜系轉(zhuǎn)化打破了傳統(tǒng)的細(xì) 胞單向分化規(guī)則 （四）轉(zhuǎn)錄因子聯(lián)合誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的 產(chǎn)生是細(xì)胞重編

35、程研究最受關(guān)注 的熱點(diǎn) 細(xì)胞重編程常用的技術(shù)方法細(xì)胞重編程常用的技術(shù)方法 1. 細(xì)胞生物學(xué)特征 （五）（五）ips細(xì)胞具有和胚胎干細(xì)胞相似的細(xì)胞具有和胚胎干細(xì)胞相似的生物學(xué)特征生物學(xué)特征 （1）形態(tài)學(xué)特點(diǎn)：ips形態(tài)與es相似，單個細(xì)胞呈圓形，核大，胞質(zhì)少。形成的細(xì)胞克隆也與es細(xì)胞相似：人類ips細(xì)胞克隆呈扁平狀、邊緣銳利；小鼠ips細(xì)胞克隆呈圓形、堆積更為緊密。（2）生長特性：細(xì)胞倍增時間和有絲分裂行為對es細(xì)胞執(zhí)行生物學(xué)功能是非常重要的，ips細(xì)胞有絲分裂和自我更新特性與es相同。（3）干細(xì)胞表面標(biāo)志物：人ips細(xì)胞表達(dá)hesc特異的標(biāo)志物，如ssea-3,ssea-4, tra-1-6

36、0, tra1-81, nanog等，小鼠來源的ips特異表達(dá)ssea-1。（4）干細(xì)胞特異基因：ips細(xì)胞表達(dá)未分化的es細(xì)胞特異基因，包括oct3/4, sox2, nanog, fgf4, rex1,htert等。（5）端粒酶活性：ips同樣具有活躍的端粒酶活性，以維持細(xì)胞的自我更新與增殖。2. 多向分化潛能：ips細(xì)胞可以向神經(jīng)干細(xì)胞或心肌細(xì)胞分化。 3. 表觀遺傳學(xué)特征：（1）啟動子區(qū)甲基化：在ips細(xì)胞中維系干細(xì)胞特 性的重要基因變?yōu)槿ゼ谆?，說明上述基因的 活化誘導(dǎo)ips的發(fā)生。 （2）組蛋白的去甲基化：ips細(xì)胞中與oct3/4, sox2, nanog相關(guān)的組蛋白h3發(fā)生去甲基化改變， 也提示上述基因的活化參與ips的形成。 第六節(jié)第六節(jié) 干細(xì)胞的治療應(yīng)用與前景展望干細(xì)胞的治療應(yīng)用與前景展望 一、干細(xì)胞是組織工程較為理想的種子細(xì)胞一、干細(xì)胞是組織工程較為理想的種子細(xì)胞 組織工程是采用細(xì)胞、生物材料和組織重建技術(shù)，