胚胎干細(xì)胞的特點(diǎn)及應(yīng)用前景

1、發(fā)育生物學(xué)論文姓名：陳金龍 班級：生工03班 學(xué)號：20126562胚胎干細(xì)胞的特點(diǎn)及應(yīng)用前景摘要：胚胎干細(xì)胞又稱ES細(xì)胞, 是指胚泡期的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中分離出的尚未分化、能在體外培養(yǎng)、具有發(fā)育全能性的早期胚胎細(xì)胞。ES細(xì)胞具有胚胎細(xì)胞和體細(xì)胞的某些特性, 既可進(jìn)行體外培養(yǎng)、擴(kuò)增、轉(zhuǎn)化和制作基因突變模型等操作,又保留了分化成包括生殖細(xì)胞在內(nèi)的各種組織細(xì)胞的能力。因此, 具有無限增殖、自我更新和多向分化的潛能。ES細(xì)胞具有與早期胚胎細(xì)胞相似的形態(tài)結(jié)構(gòu),細(xì)胞核大,有一個或幾個核仁,胞核中多為常染色體質(zhì),胞質(zhì)胞漿少,結(jié)構(gòu)簡單,胚胎干細(xì)胞具有正常的、完整及穩(wěn)定的染色體核型。體外培養(yǎng)時,細(xì)胞排列緊密,呈集落狀

2、生長。用堿性磷酸酶染色,ES細(xì)胞呈棕紅色,而周圍的成纖維細(xì)胞呈淡黃色。細(xì)胞克隆和周圍存在明顯界限,形成的克隆細(xì)胞彼此界限不清,細(xì)胞表面有折光較強(qiáng)的脂狀小滴。細(xì)胞克隆形態(tài)多樣,多數(shù)呈島狀或巢狀。胚胎干細(xì)胞廣泛應(yīng)用于克隆動物的生產(chǎn)、遺傳育種、人類遺傳病動物模型的構(gòu)建、人類器官移植材料的生產(chǎn)、細(xì)胞分化機(jī)制的研究等領(lǐng)域。胚胎干細(xì)胞主要來源于兩種組織: 早期胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)分離的ECS和胚胎生殖嶺分離的胚胎生殖細(xì)胞。由于這些細(xì)胞具有高度復(fù)制能力及多向分化潛能, 已被用于生命科學(xué)的各個領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：胚胎干細(xì)胞 特性 無限 應(yīng)用前景1、胚胎干細(xì)胞的主要特點(diǎn)1.1 全能性或多能性 ES 細(xì)胞具有發(fā)育的多潛能性,

3、在體外可誘導(dǎo)分化出屬于三個胚層的分化細(xì)胞。若注射至同種同基因小鼠體內(nèi), 可分化產(chǎn)生由多種不同組織組成的畸胎瘤。1.2 種系傳遞性 ES 細(xì)胞具有種系傳遞功能。若把十幾個ES 細(xì)胞在體外注射至另一胚泡內(nèi), 使之與受體胚胎細(xì)胞混合, 再植入假孕受體鼠子宮,可發(fā)育獲得嵌合體胚或鼠。ES細(xì)胞可參與受體胚胎的各種器官組織并形成生殖細(xì)胞, 后者稱為種系傳遞(germ line transmission), 因為通過育種交配可以分離出帶有ES 細(xì)胞遺傳性狀的小鼠。這是ES 細(xì)胞具有種系傳遞能力(發(fā)育全能性)的一種證明。細(xì)胞發(fā)育全能性的本質(zhì)現(xiàn)在還很少了解, 近年有研究證明一種屬于POU 結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子Oct

4、-4 基因所表達(dá)的蛋白是一個細(xì)胞全能性的標(biāo)志, Oct-4 基因缺失的胚胎不能形成真正的全能胚胎細(xì)胞, 只能發(fā)育到囊胚期為止。1.3 體外遺傳的可操作性ES 細(xì)胞在體外可以進(jìn)行遺傳操作, 包括：(1) 導(dǎo)入報告或標(biāo)志基因, 或一個異源基因;(2) 加入額外的原有基因使之過表達(dá)(增加功能);(3) 通過質(zhì)粒DNA 與染色體上有關(guān)基因序列發(fā)生同源重組剔除該基因, 即基因打靶(失去功能) 以及(4) 誘導(dǎo)某個基因的突變。ES 細(xì)胞經(jīng)遺傳操作后一般認(rèn)為仍能保持其擴(kuò)增和發(fā)育多潛能性, 因此可通過它的第二個特性制備轉(zhuǎn)基因鼠或基因有缺失、突變或過表達(dá)的雜合或純合小鼠進(jìn)行各種功能分析。1.4 無限增殖性ES

5、細(xì)胞具有無限增殖性。胚胎干細(xì)胞在體外適宜條件下, 能在未分化狀態(tài)下無限增殖。在所有從骨髓抽取的人類干細(xì)胞中,人類胚胎干細(xì)胞是唯一可以分化成身體上不同種類細(xì)胞,當(dāng)中包括腦細(xì)胞和心臟細(xì)胞等高度分化、并缺乏再生能力的細(xì)胞。2、胚胎干細(xì)胞的研究狀況2.1 胚胎干細(xì)胞的研究歷史ES細(xì)胞研究，首先源于畸胎瘤干細(xì)胞或胚胎瘤細(xì)胞。1958年，Steven通過把小鼠早期胚胎移植到129小鼠精巢或腎臟被膜下得到了EC細(xì)胞。1981年，英國劍橋大學(xué)的Evans和Kaufman用延緩著床的胚泡和美國加州大學(xué)舊金山分校的Martin用條件培養(yǎng)基分別成功地分離、體外培養(yǎng)了小鼠的ES，從此進(jìn)入了胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)建系的新紀(jì)元。

6、此后，人們建立了許多動物的ES細(xì)胞系。1990年，Evans、Strojek及Piedrahila各自成功地建立了豬類ES細(xì)胞系。1992年，Matsui等用小鼠原始生殖細(xì)胞首先建成EC細(xì)胞系，又開創(chuàng)了一種新的建立全能性(或多能性)細(xì)胞系的材料。1994年，Robert用牛原始生殖細(xì)胞建成EC細(xì)胞系，證明了原始生殖細(xì)胞可以作為建立全能性(或多能性)細(xì)胞系的新型材料。1995年Thomson等從恒河猴的胚囊中分離、建立了ES細(xì)胞株，這是第一個建株的靈長類動物的ES。近年來，美國Wiscosin 大學(xué)的Thomson 和Hopkins大學(xué)的Gearhart分別用不同的方法成功的得到了幾個人的ES細(xì)

7、胞系，這一工作奠定了對人ES實(shí)驗研究的基礎(chǔ)。1997年，Shims用豬原始生殖細(xì)胞建成EC細(xì)胞系，但是日前對豬全能性(或多能性)細(xì)胞系的研究，仍集中在ES細(xì)胞系的建立及傳代問題上。2.2 胚胎干細(xì)胞的分化和定向分化研究目前ES 細(xì)胞體外分化研究傾向于從細(xì)胞譜系分化出發(fā), 去尋找多潛能的祖細(xì)胞(progenitorcells), 研究從多能祖細(xì)胞如何轉(zhuǎn)向限能的定型(committed) 譜系細(xì)胞, 研究細(xì)胞定型的分子機(jī)制。在造血系統(tǒng)這個至少有8 個細(xì)胞譜系的發(fā)育系統(tǒng)方面所做的工作比較多, 也較為突出。近年應(yīng)用極為敏感的單個細(xì)胞RTPCR 分析法以及譜系限定的轉(zhuǎn)錄因子基因共表達(dá)的分析, 已證明定型

8、以前的多能造血祖細(xì)胞的基因表達(dá)型式是一個供多方面選擇的雜合型式, 而當(dāng)細(xì)胞定型時則通過強(qiáng)化某些基因的表達(dá)并抑制另一些基因的表達(dá)來形成某個單一譜系所特有的基因表達(dá)型式?，F(xiàn)在ES/EBs 系統(tǒng)已不但能分化出紅系、髓系和淋巴系前體細(xì)胞(precursor), 也可得到天然殺傷細(xì)胞的前體細(xì)胞。又如在哺乳動物胚胎發(fā)育的卵黃囊時期血細(xì)胞生成(hematopoiesis) 和血管生成( vasculogenesis)是同時發(fā)生的, 一直懷疑兩者有共同的祖細(xì)胞hemangioblasts。最近, Choi 等在EBs 的體外培養(yǎng)中找到了一種能生成紅細(xì)胞和血管的相當(dāng)于hemangioblasts的共同祖細(xì)胞在神

9、經(jīng)細(xì)胞和心肌細(xì)胞等的體外分化研究中,人們也在努力尋找從ES 細(xì)胞分化的前體細(xì)胞以便進(jìn)一步研究譜系分化。ES 細(xì)胞在體外分化中同時產(chǎn)生不同類型的分化細(xì)胞反映了多能干細(xì)胞的一種不受約制的自我無序發(fā)育。ES 細(xì)胞的定向分化則意味著要控制它們的分化, 導(dǎo)向產(chǎn)生一個單一類型的分化細(xì)胞, 這是一個探索性很強(qiáng)的課題。但是隨著人們對細(xì)胞分化的分子機(jī)制有更多的了解, 必將發(fā)現(xiàn)在基因表達(dá)調(diào)控方面許多細(xì)胞類型專一的轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞專一蛋白或細(xì)胞因子在細(xì)胞決定、定型和分化中起作用。將這些因子或?qū)Ｒ坏鞍椎恼{(diào)控元件轉(zhuǎn)染ES 細(xì)胞再進(jìn)行體外分化, 有可能會驅(qū)動一些專一標(biāo)志基因的表達(dá)而產(chǎn)生定向分化的效果。最近SOX 家族基因被

10、發(fā)現(xiàn)為脊椎動物神經(jīng)組織的決定和分化的重要因子后, Li 等在ES/ EBs 分化的早期分散細(xì)胞, 并采用無血清培液等措施可富集神經(jīng)上皮細(xì)胞的比例, 減少非神經(jīng)細(xì)胞的出現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上將神經(jīng)元專一轉(zhuǎn)錄因子SOX2 基因與報告基因 geo 結(jié)合后轉(zhuǎn)雜ES 細(xì)胞, 重做EBs 分化實(shí)驗, 再結(jié)合RA 誘導(dǎo)和G418 篩選, 可獲得90%以上-半乳搪苷酶染色陽性的表達(dá)神經(jīng)元標(biāo)志的神經(jīng)細(xì)胞。又如,KIug 等利用心肌細(xì)胞-肌球蛋白重鏈的啟動子與選擇性標(biāo)志基因結(jié)合后轉(zhuǎn)染ES 細(xì)胞, 用EBs 方式誘導(dǎo)分化, 再結(jié)合物理方法選擇, 可獲得99%純的心肌細(xì)胞。在我們實(shí)驗室前幾年曾用細(xì)胞因子TGF-1 基因轉(zhuǎn)染E

11、S 細(xì)胞, 建立該基因過表達(dá)的ES細(xì)胞克隆, 用RA 誘導(dǎo)做EBs 分化實(shí)驗, 可使95 %以上EBs 都產(chǎn)生大量內(nèi)皮細(xì)胞前體細(xì)胞, 以后遷移分化形成血管樣結(jié)構(gòu), 這是一個適于研究內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生及血管形成的模型, 提示TGF- 蛋白的增加會改變ES 細(xì)胞分化的微環(huán)境, 從而導(dǎo)向內(nèi)皮細(xì)胞和血管樣結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。ES 和EG 細(xì)胞定向分化研究還處于起步階段,但由于人體ES 細(xì)胞和EG 細(xì)胞的建系成功所帶來的誘人應(yīng)用前景, 必然會推動定向分化, 甚至整個胚胎干細(xì)胞生物學(xué)的研究。3、胚胎干細(xì)胞的應(yīng)用前景3.1細(xì)胞分化機(jī)制研究利用ES細(xì)胞體外培養(yǎng)技術(shù),可不受干擾地對單一影響胚胎細(xì)胞分化的因子進(jìn)行系統(tǒng)研究。ES

12、細(xì)胞在細(xì)胞分化研究中的主要作用是:(1)研究飼養(yǎng)層抑制ES細(xì)胞分化的生理機(jī)制, 這將有利于人們從基因轉(zhuǎn)錄、翻譯等水平對細(xì)胞進(jìn)行操作, 定向改變細(xì)胞分化的方向。(2)研究ES細(xì)胞的定向分化。培養(yǎng)的ES細(xì)胞在去除分化抑制因素或添加誘導(dǎo)分化因子后就會發(fā)生定向分化, 形成某種類型組織細(xì)Thomas研究發(fā)現(xiàn), 體外培養(yǎng)的ES細(xì)胞能自行向內(nèi)臟卵黃囊、血島及心肌細(xì)胞定向分化。Smith等實(shí)驗證明胚細(xì)胞在不含分化抑制物的培養(yǎng)基中能分化形成中胚層;當(dāng)ES細(xì)胞在禽DIA和維生素A酸的培養(yǎng)基中, 則分化形成體壁內(nèi)胚層。3.2育種和良種繁殖首先,可以生產(chǎn)克隆動物, 大幅度提高良種家畜的繁殖效率, 加速動物良種化進(jìn)程。

13、其次,可以拯救瀕危物種,保存稀有動物遺傳資源。再次,利用異種動物細(xì)胞核移植和異種動物胚胎嵌合的方法可獲得具有新性狀的克隆動物或異種動物的嵌合體, 可以克服種間繁殖障礙, 創(chuàng)造新物種。另外, 利用細(xì)胞核移植技術(shù)可以同時克隆遺傳基礎(chǔ)完全相同的生物個體。這些生物個體可用于遺傳參數(shù)的估測, 飼料營養(yǎng)價值的評定以及環(huán)境與動物關(guān)系的研究等領(lǐng)域。3.3特異性分化細(xì)胞系的建立胚胎干細(xì)胞的優(yōu)勢首先體現(xiàn)在它的多向性或全能性分化能力上。目前, 人們正致力于人類胚胎干細(xì)胞的識別、分離、體外培養(yǎng)擴(kuò)增與分化誘導(dǎo)工作。包括對其它來源的干細(xì)胞, 如造血干細(xì)胞、間質(zhì)干細(xì)胞以及神經(jīng)干細(xì)胞等的研究。以期最終解決目前臨床上難以解決的

14、治療問題。3.4器官移植在適度的控制條件下, 胚胎干細(xì)胞可在體外培養(yǎng)體系中形成各種人體組織,甚至人體器官。干細(xì)胞技術(shù)的理想階段就是希望在體外進(jìn)行"器官克隆"以供病人移植。3.5基因治療研究胚胎干細(xì)胞可用于基因治療研究,或者說與基因治療技術(shù)結(jié)合起來而為人類健康服務(wù)。3.6在尋找新藥方面的應(yīng)用在傳統(tǒng)尋找新藥時, 常用原代細(xì)胞、修飾過的腫瘤細(xì)胞或轉(zhuǎn)基因細(xì)胞。與原代細(xì)胞或修飾過的細(xì)胞相比, 干細(xì)胞具有很多優(yōu)點(diǎn):基因正常, 有獨(dú)特的生理反應(yīng), 可長期培養(yǎng)、擴(kuò)增,因而哺乳動物干細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用為在細(xì)胞水平評估藥物作用的靶細(xì)胞及一些新的治療方法效果提供了新的機(jī)會。3.7新基因開發(fā)與基因功能

15、分析對小鼠ESC基因進(jìn)行目的性操作, 實(shí)現(xiàn)了哺乳動物基因功能性研究的重大突破, 確定了許多基因在正常生長發(fā)育和生理過程中的功能及在疾病發(fā)生中的作用。通過與基因打靶技術(shù)相結(jié)合, 對hESC進(jìn)行基因重組特定基因刪除或突變有助于人類基因功能研究, 還可建立某些更為適宜的人類疾病模型進(jìn)行藥物篩選。4、面臨的問題4.1 ESCs 細(xì)胞分化從理論上講，ESCs 細(xì)胞具全能性,可獲得一種我們需要的細(xì)胞,但實(shí)際工作的進(jìn)展卻很慢。細(xì)胞分化是多種細(xì)胞因子相互作用引起細(xì)胞一系列的生理生化反應(yīng)的過程， 必須了解各種因子的具體作用和作用時間， 才能得到產(chǎn)生某種特異類型的分化細(xì)胞， 且抑制分化因子的劑量需進(jìn)一步研究。4.

16、2 ESCs 細(xì)胞移植后細(xì)胞存活和畸胎瘤的問題小鼠ESCs 細(xì)胞注入成鼠皮下可形成畸胎瘤，目前對形成畸胎瘤所需ESCs 細(xì)胞的最少數(shù)量及最短時間還無定論。人ESCs 細(xì)胞也具有相似特性。為防止畸胎瘤，應(yīng)對ESCs 進(jìn)行細(xì)胞選擇，排除多余多能干細(xì)胞的影響。4.3社會倫理問題由于胚胎干細(xì)胞的研究涉及生命的定義和來源， 因此受到宗教界等相關(guān)人士倫理道德方面的爭議。然而，人類干細(xì)胞方面的研究進(jìn)展及其與克隆技術(shù)結(jié)合在治療人類某些疾病上的應(yīng)用前景， 促使美國政府放松了對人類胚胎干細(xì)胞研究的限制。美國總統(tǒng)奧巴馬在競選中曾承諾，將取消目前關(guān)于利用人類胚胎干細(xì)胞作研究的行政禁令。英國政府也在考慮放寬對人類克隆的限制， 允許治療性克隆，禁止繁殖性克隆。5、總結(jié)總之，目前胚胎干細(xì)胞的研究已經(jīng)取得了巨大的成就，但是，將胚胎干細(xì)胞應(yīng)用于臨床, 還需要人類的大量的工作, 這個領(lǐng)域的技術(shù)突破將推動生命科學(xué)的巨大前進(jìn), 只有一些關(guān)鍵性問題的解決才能使胚胎干細(xì)胞研究的價值真正得到體現(xiàn)。參考文獻(xiàn)：1 姚鑫.胚胎干細(xì)胞的特性、體外分化及其應(yīng)用前景. 上海免疫學(xué)雜志1999 年第19 卷第3 期2 申進(jìn)玲周影茹.胚胎干細(xì)胞的特點(diǎn)及應(yīng)用. 安徽農(nóng)學(xué)通報, AnhuiAgri.Sci.Bull.2006, 12(5):663 吳曉云1，閻萍1，褚敏1，