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1、干细胞与组织再生,stem cell & tissue regeneration,损伤后机体反应,组织修复快速，细胞外基质填补 组织再生产生新的相同细胞 目的-保持个体的自稳性（self-homeostasis）,个体的自稳性,再生（regeneration）：缺失或受损的组织器官重新生长并保持较完整的生理功能的过程。 物种的再生能力与组织和器官的分化程度相反 。 组织的维持和再生与干细胞密切相关。,干细胞生物学特点,干细胞（stem cell）是高等生物体内具有无限的/长期的自我更新（增殖）能力和多向分化潜能的未（低）分化细胞。 能够产生与母代细胞完全相同的子代细胞。 能够产生至少一种类型的
2、高度分化的子代细胞（终末分化细胞）。 即具有自我更新能力，未（低）分化并在适当条件下表现出多向分化潜能。,增殖特点,干细胞可以在生物体生命期间中自我更新(self-renewal)，并维持其自身数目恒定的特性。 分裂的周期性慢，可连续分裂（ESC），也可在较长时间内处于静止状态。 通过不同的分裂形式对称分裂（symmetric division）和不对称分裂（asymmetric division）实现自我更新。,独特的增殖方式,对称分裂：干细胞分裂产生同类型细胞，如两个子细胞都是干细胞或都是分化细胞。 不对称分裂：干细胞分裂产生不同类型细胞，如两个子细胞中一个是干细胞另一个是分化细胞。,独特
3、的增殖方式,进入分化程序时先经过一个短暂的增殖期，形成过渡放大细胞（transit amplifying cell），后者分裂速度较快，经过几次分裂后产生较多的分化细胞。,独特的增殖方式,缓慢增殖有利于对外界信号做出反应，减少发生基因突变的危险，而快速分裂的过渡放大细胞使干细胞仅进行较少次数的分裂即可产生较多的分化细胞。,干细胞的分类,按发生学来源，分为胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESC) 、组织干细胞（tissue specific stem cell ）和生殖干细胞(germline stem cell ),人类胚胎干细胞,干细胞的分类,按分化潜能，分为 全能干细胞
4、(totipotent stem cell ) ：任何一个细胞都可以发育成一个完整个体，如受精卵桑葚胚 多能干细胞(pluripotent stem cell ) ，可以分化为多种不同类型的细胞，如胚胎干细胞、造血干细胞、间充质干细胞 单能干细胞（unipotent stem cell ），如表皮干细胞、心肌干细胞,干细胞的分类,按发生学来源，分为胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESC) 、组织干细胞（tissue specific stem cell ）和生殖干细胞(germline stem cell ),人类胚胎干细胞,干细胞的分类,按分化潜能，分为 全能干细胞(to
5、tipotent stem cell ) ：任何一个细胞都可以发育成一个完整个体，如受精卵桑葚胚 多能干细胞(pluripotent stem cell ) ，可以分化为多种不同类型的细胞，如胚胎干细胞、造血干细胞、间充质干细胞 单能干细胞（unipotent stem cell ），如表皮干细胞、心肌干细胞,干细胞的生物学特征,没有特殊的形态特点：体积小、核大、细胞器不发达 生化：干细胞的共同标志，如端粒酶,神经干细胞 Nestin、CD133和CD24等,组织干细胞TSC的特征性表面分子,骨髓间充质细胞 CD29、CD44、CD166等,造血干细胞 Ly6A/E（Sca-1）、CD34和
6、CD133等,胚胎干细胞：特异性的基因产物（SSEA、TRA）、整联蛋白/层粘连蛋白、 转录因子（Oct3/4，Sox2）等,ESC有特征性的基因产物和标记物,表面标志物：未分化状态下高度表达的抗原分子,谱系定向分化能力lineage-specific differentiation,TSC生物学特性,特定组织定居的能力,组织干细胞获得特定组织细胞形态、表型以及功能特征的过程。,组织干细胞可对组织再生的特异刺激和信号分子产生应答，分化为特定类型的组织细胞，替代受损细胞或死亡细胞的功能。,自我更新能力,TSC具有分化的可塑性,TSC的可塑性(plasticity)：组织干细胞跨系谱甚至跨胚层分化
7、的潜能。,TSC转分化（transdifferentiation） ：活化特定的潜在分化程序，改变特定谱系分化的进程。,小鼠（Neo基因） 造血干细胞 鼠(亚致死剂量同位素照射) 在鼠的神经胶质细胞中检测到Y染色体和Neo基因. 即鼠的造血干细胞移植到鼠中分化为脑胶质细胞。 细胞融合？,去分化（dedifferentiation） ：向其前体细胞的逆向转化，再按新方向分化。,干细胞生长需要特殊的微环境,个体出生以后，组织干细胞（包括生殖干细胞）生活的特殊微环境 (microenviroment)称为干细胞微环境，又称为干细胞巢（stem cell niche），是干细胞维持自我更新和分化潜能的
8、重要场所。 若从正常生存的微环境中分离，它们即丧失了“干性”。,干细胞微环境包括多种组成成分,干细胞支持细胞ECM- -其他种类干细胞 信号分子:以自分泌或旁分泌的形式影响干细胞的增殖与分化。 细胞黏附分子:确保干细胞定居于微环境中，并接受信号分子的调节。 细胞外基质:对干细胞正常功能的维持提供了重要信号，并且可以直接调节干细胞的分化方向。 空间效应:空间结构对保持适宜的干细胞数目和干细胞的定向分化发挥了重要作用。,果蝇卵巢干细胞微环境,生殖干细胞GSC位于卵巢原卵区的顶部，并被三种不同的基质细胞群所包绕：端丝、帽细胞以及内鞘细胞。这三种基质细胞以及基膜共同构成微环境，其中帽细胞通过紧密连接固
9、定GSC，与其他基质细胞产生的细胞信号分子共同调控GSC的生长和分化。,干细胞需要特殊的微环境才能执行正常的生理功能,如果将干细胞从其正常生存的微环境中分离，它们即丧失了自我更新的能力。 微环境能调控干细胞的分化发育方向，在不同信号途径构成的微环境中，干细胞能向不同的谱系细胞分化。 认识干细胞的生存特性有助于建立干细胞生存的人工控制系统。,2005黄禹锡造假事件,胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESC),人胚胎发育早期囊胚含有约140个细胞，外表是一层扁平细胞，称滋养层，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔，腔内一侧的细胞群，称内细胞群（inner cell m
10、ass, ICM） 。,内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。每个胚层将分别分化形成人体的各种组织和器官。 当内细胞群在培养皿中培养时，我们称之为胚胎干细胞。,胚胎干细胞可以诱导分化为任何一种组织细胞,具有“无限”的增殖能力和多向分化潜能,人胚胎干细胞的获得,Thomson的工作:从人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离多能干细胞。 Gearhart的工作：Gearheart从从终止妊娠的胎儿原本要发育成睾丸或卵巢的部位取得细胞。,尽管两者细胞系来源不同，但非常相似。,体细胞核转移,存在的问题,ESC的分离培养首先需要解决的问题是阻止引起分化的基因的激活与表达，以实现分化抑制，保证细胞的全能
11、性。 ESC在体外需在饲养层(feeder layer)细胞上培养才能维持其未分化状态，一旦脱离饲养层就自发地进行分化。,干细胞“干性”的调控机制,干性保持未分化/不断增殖的特性。 通过细胞外信号分子（LIF）和细胞内一些重要转录因子（STAT3、Oct3/4，Sox-2和Nanog等）的调控，促进干细胞增殖，抑制细胞分化关键基因的表达水平，维持胚胎干细胞未分化状态。,LIF-STAT信号通路图,LIF是目前唯一明确的保持小鼠干细胞干性的重要细胞因子，能激活信号转导和活化转录蛋白（STAT3 ）。,转录因子Oct3/4/ Sox-2 /Nanog ： 在未分化干细胞中特异表达，是维持干细胞状态
12、所必需的因子 。 参与调控干细胞的未分化状态，彼此间有复杂的协同反馈调控网络。,存在的问题,人胚胎干细胞的来源是否合乎法律及道德，应用过程中所产生的伦理及法律问题如何处理。 对移植的安全性尚需做全面、客观、深入的评价。 细胞重编程（reprogramming）-分化的细胞在特定的条件下被逆转后形成胚胎干细胞系，或者恢复到全能性状态，进一步发育成一个新的个体的过程。,诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）,在非多能干细胞（分化的体细胞）中诱导表达特定基因（转录因子），可诱导体细胞重编程而获得的多能干细胞。,2006年Yamanaka发现，胚胎
13、干细胞中存在一系列特异性表达的蛋白质，而当胚胎干细胞分化时，这些蛋白表达减少。提出如果在小鼠体细胞内表达这些蛋白，或许能使体细胞转变为具有干细胞全能性质的细胞。,2012年诺贝尔医学奖,经过研究发现可使用病毒载体将Oct4/Sox2/c-Myc和Klf4等转录因子导入到小鼠皮肤成纤维细胞，形成具有干细胞形态的细胞群落。,这一发现分别被自然和科学杂志评为2007年第一和第二大科学进展。 2008.4，美国科学家将实验鼠皮肤细胞改造成iPS细胞，然后成功使其分化成心肌细胞、血管平滑肌细胞及造血细胞。 2009.2，日本科学家宣布成功利用人类皮肤细胞制成的iPS细胞培育出血小板，而且声称从技术上说用
14、iPS细胞培育人类红细胞和白细胞都是可能的。 2010.6，美、日的三个研究小组分别实现了将人体血细胞转化为iPS细胞。,Oct4/Sox2/c-Myc/Klf4或Oct4/Sox2/Nanog /Lin28 Oct4/ Sox2/Klf4 Oct4/Klf4或Oct4/c-Myc（神经细胞） Oct4（鼠神经干细胞）？,VPA （丙戊酸）组蛋白脱乙酰基酶抑制剂,iPS细胞有很多优点： iPS细胞则由体细胞诱导产生，不存在来源的问题。 iPS细胞取自病人组织，产生的是病人特异的干细胞，避免了免疫排斥反应。 iPS细胞缺点： iPS细胞的“诱导效率”低，只有千分之几的体细胞能够被诱导成IPS 高度的成瘤性成为IPS临床应用的最大障碍 iPS小鼠存在明显的健康问题，死亡率很高。 病毒载体的使用也会导致基因组的整合，诱发致癌危险。,STAP细胞事件,小保方晴子,The end,
