干细胞与组织维持和再生唐霓课件

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1、第十六章第十六章 干细胞与组织的干细胞与组织的维持和再生维持和再生（stem cell and tissue regeneration）概述概述 第一节第一节 干细胞基础生物学干细胞基础生物学第二节第二节 胚胎干细胞和组织干细胞胚胎干细胞和组织干细胞第三节第三节 干细胞干细胞“干性干性”的调节机的调节机制制第四节第四节 干细胞与疾病的关系干细胞与疾病的关系第五节第五节 细胞重编程及诱导多能干细胞重编程及诱导多能干细胞细胞内容内容概概 述述 再生（regeneration）部分缺失或者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。组织修复组织再生物种的再生能力与组织和器官的分化程度相反物种

2、的再生能力与组织和器官的分化程度相反低等生物的肢体再生成人组织器官损伤后的再生 组织的维持和再生与干细胞密切相关组织的维持和再生与干细胞密切相关 胚胎干细胞是目前已知分化功能最为强大的干细胞。 组织干细胞保持着自我更新和分化的潜能，维持组织器官的稳态平衡。一、干细胞是具有自我更新与分化潜能一、干细胞是具有自我更新与分化潜能的未分化或低分的未分化或低分 化细胞化细胞第一节第一节 干细胞基础生物学干细胞基础生物学 （ stem cell biology）干细胞具有“无限”的增殖能力，能够产生与母代细胞完全相同的子代细胞，维持该干细胞种群。自我更新分化潜能干细胞能分化生成不同表型的成熟细胞，例如胚胎

3、干细胞可以分化形成个体的所有成熟细胞类型。干细胞的独特增殖方式干细胞具有独特的增殖方式，即非对称分裂（干细胞具有独特的增殖方式，即非对称分裂（asymmetric asymmetric divisiondivision）。干细胞通过非对称分裂产生与一个与母代细胞完全相）。干细胞通过非对称分裂产生与一个与母代细胞完全相同的子代细胞，以保持干细胞稳定；同时还产生过渡放大细胞（同的子代细胞，以保持干细胞稳定；同时还产生过渡放大细胞（TATA细胞），再由过渡放大细胞经过若干次分裂，最终产生分化细胞。细胞），再由过渡放大细胞经过若干次分裂，最终产生分化细胞。二、干细胞具有区别于其他类型细胞二、干细胞具有

4、区别于其他类型细胞 的重要生物学特征的重要生物学特征（一）干细胞具有“无限”的自我更新能力（二）多向分化潜能是干细胞的另外一个主要特征（三）干细胞具有未分化或低分化特性 根据细胞所处的发育阶段和发生学来源的发育阶段和发生学来源的不同，分为胚胎干细胞、组织干细胞和生殖干细胞。三、干细胞具有不同的分类方法三、干细胞具有不同的分类方法 根据细胞分化潜能分化潜能不同，分为全能干细胞（totipotent stem cells）、多能干细胞（pluripotent stem cells， 或multipotent stem cells）和单能干细胞（unipotent stem cells）。（一）胚胎

5、干细胞表达特征性的基因产物（一）胚胎干细胞表达特征性的基因产物和表面标记分子和表面标记分子四、干细胞的来源和组织类型不同决定四、干细胞的来源和组织类型不同决定其独特的生物学特征其独特的生物学特征 特征性基因产物如SSEA-3，SSEA-4,TRA-1-60，TRA-1-81,碱性磷酸酶等整合素如整合素6和1，连接蛋白43等 转录因子 如Oct3/4，Nanog，Sox2 等谱系定向分化能力（二）组织干细胞具有组织定向分化能力（二）组织干细胞具有组织定向分化能力 和特定组织定居能力和特定组织定居能力特定组织定居的能力组织干细胞进一步分化为专能祖细胞，最终成为终末分化细胞。细胞分化的过程是组织干细

6、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。 神经干细胞 Nestin、CD133和CD24等组织干细胞的特征性表面分子组织干细胞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 CD133等概念五、组织干细胞具有分化的可塑性五、组织干细胞具有分化的可塑性组织干细胞跨系谱甚至跨胚层分化的潜能，称为组织干细胞的可塑性(plasticity) 。如骨髓间充质干细胞可以跨胚层向肝脏、心肌、胰腺或神经细胞分化，而肌肉、神经干细

7、胞也可以向造血干细胞分化。组织干干细胞和多能干胞和多能干细胞用胞用圆形表示，分化形表示，分化细胞用方胞用方形表示。形表示。 （一）（一） 胚胎干细胞主要来源于植入前胚胎内细胞团胚胎干细胞主要来源于植入前胚胎内细胞团 六、干细胞的来源、定位和功能六、干细胞的来源、定位和功能 胚胎干细胞的来源与早期分化胚胎干细胞的来源与早期分化 胚胎期血液系统的发育是一个动态过程（二）（二） 胚胎期胚层细胞分化以后形成组织干细胞的前胚胎期胚层细胞分化以后形成组织干细胞的前 体细胞体细胞 小鼠造血系统发育的第一个部位是胚外卵黄囊，随后是胚内的主动脉-性腺-中肾区（aorta-gonad-mesonephros，AG

8、M区），然后逐渐移位到胚胎期肝脏、骨髓，最后发育为成体的造血系统。 神经干细胞出现在原肠胚期胚胎外胚层形成神经组织以后神经板的诱导和神经干细胞的出现都标志着形成神经系统定向发育的胚系祖细胞神经干细胞的发育具有时间和空间调控的特点 概念 个体出生以后，组织干细胞（包括生殖干细胞）生活的特殊微环境称为干细胞微环境，又称为干细胞巢（stem cell niche）。不同组织类型的“干细胞微环境”的组成及定位不同。 七、干细胞微环境是干细胞维持自我七、干细胞微环境是干细胞维持自我更新和分化潜能的重要场所更新和分化潜能的重要场所干细胞需要特殊的微环境才能执行正常的生理功能。如果将造血干细胞从其正常生存的

9、微环境中分离，它们即丧失了自我更新的能力。（一）（一） 干细胞需要特殊的微环境才能执行正常的生理功能干细胞需要特殊的微环境才能执行正常的生理功能微环境还能调控干细胞的分化发育方向，例如，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。果蝇卵巢干细胞微环境果蝇卵巢干细胞微环境 成年果蝇卵巢生殖干细胞（germline stem cell，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(terminal filament)、帽细胞(cap cell)以及内鞘细胞（inner sheath cell）。这三种基质细胞以及基膜共同构成GSC微环境，其中帽细胞通过E-ca

10、dherin介导的紧密连接将GSC固定在微环境中，与其他基质细胞产生的细胞信号分子如BMP、Notch等共同调控GSC的生长和分化。（二）（二） 干细胞微环境包括多种组成成分干细胞微环境包括多种组成成分 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。干细胞微环境是由定位于组织内的一群特殊细胞和细胞外支持结构组成（三）（三） 干细胞微环境具有一些共同的结构与功能特点

11、干细胞微环境具有一些共同的结构与功能特点一些重要的信号分子辅助干细胞定位于微环境干细胞微环境能够产生多种外源信号分子，调控干细胞分化及增殖脊椎动物和哺乳动物干细胞微环境具有特定的结构骨髓干细胞微环境八、干细胞生物学研究具有广阔的应用前景八、干细胞生物学研究具有广阔的应用前景（一）（一） 干细胞为器官移植和组织工程提供了重要的干细胞为器官移植和组织工程提供了重要的 细胞来源细胞来源 （二）（二） 有望确定疾病病因并对疾病的治疗提供新的有望确定疾病病因并对疾病的治疗提供新的 手段手段 （四）（四） 有助于筛选新药及建立新的模型系统有助于筛选新药及建立新的模型系统 第二节第二节 胚胎干细胞、组织干细

12、胞和胚胎干细胞、组织干细胞和生殖干细胞生殖干细胞一、一、 胚胎干细胞具有胚胎干细胞具有“无限无限”的增殖能力和多向分化潜的增殖能力和多向分化潜能能（一）（一） 胚胎干细胞的分离、体外培养和鉴定胚胎干细胞的分离、体外培养和鉴定 哺乳动物胚胎干细胞的分离培养技术的建立细胞因子LIF维持小鼠ES细胞干性人类ES细胞与小鼠ES细胞的比较人类ES细胞小鼠ES细胞形态扁平的、有明显细胞边界的克隆紧密聚集型，形成圆顶样克隆分化差异体外培养条件下较容易分化，并形成多种原始干细胞和部分处于不同分化阶段幼稚细胞的多克隆体外培养条件下较容易分化培养条件加入细胞因子LIF不能完全替代饲养细胞的作用细胞因子LIF不能完

13、全替代饲养细胞的作用（二）胚胎干细胞体外分化首先形成胚状体（二）胚胎干细胞体外分化首先形成胚状体 小鼠ES细胞的体外分化 采用STAT-gp130抑制剂 加入维甲酸（retinoic acid）和二甲基亚枫（DMSO） 体外悬浮培养 形成EB三种胚层细胞种系细胞（缺乏胚胎发育的定位信号）目前已经成功地诱导ES细胞向神经细胞、心肌细胞、胰岛素分泌细胞等终末细胞分化，上述细胞移植物在动物体内存活并整合入受体组织，可以替代受损组织的部分生理功能。（三）胚胎干细胞可以诱导分化为任何一种组织细胞（三）胚胎干细胞可以诱导分化为任何一种组织细胞二、组织干细胞的分化受到精密而复杂的调控二、组织干细胞的分化受到

14、精密而复杂的调控 （一）造血干细胞启动造血并分化形成所有谱系血液细胞（一）造血干细胞启动造血并分化形成所有谱系血液细胞 1.胚胎发育不同时期造血干细胞的定位（详见本章第一节）2.造血干细胞的分化是等级式分阶段分化过程造血干细胞（HSC）的分化是典型的等级式分化过程，HSC首先分化形成多能造血祖细胞，然后分化为髓系干细胞和淋巴系干细胞，髓系干细胞分化形成红细胞、血小板、巨噬细胞、中性粒细胞，而淋巴系细胞则形成T细胞，B细胞，NK细胞等。 3.HSC特征表面标记分子人类HSC比较明确的主要表面标志物为CD34+、Lin-、c-kit+、sca-1+，其他表面分子还包括Thy-1,IL-7R,Flt

15、3,CD150等。（二）间充质干细胞主要栖息于骨髓，能分化形成中（二）间充质干细胞主要栖息于骨髓，能分化形成中胚层细胞胚层细胞1.间充质干细胞的表型特征hMSC呈纺锤形，为成纤维细胞样细胞，能黏附于培养塑料表面，在体外培养初始阶段形成克隆。形态标志物CD73、CD105、Stro-1、VCAM-12.间充质干细胞的体外诱导分化间充质干细胞的体外诱导分化间充质干细胞的体外诱导分化3.MSC的应用MSC局部移植治疗组织器官的系统移植干细胞的基因治疗组织工程中MSC的应用器官移植的排斥反应中起免疫调节作用（三）皮肤干细胞维持体表屏障结构和功能的完整（三）皮肤干细胞维持体表屏障结构和功能的完整皮肤干细

16、胞表皮干细胞毛囊干细胞、毛囊黑素干细胞真皮中分离的间充质干细胞皮肤毛囊干细胞、肝和小肠干细胞的定位及分化调控皮肤毛囊干细胞、肝和小肠干细胞的定位及分化调控 皮肤干细胞的特征皮肤干细胞的特征细胞增殖缓慢，主要体现在活体细胞标记滞留；自我更新能力强，体外培养条件下，毛囊干细胞能增殖形成较大的克隆群；通过整合素与表皮基底膜紧密相连。1.皮肤表皮干细胞的表面标志物整合素运铁蛋白受体（transferrinreceptor）角蛋白（Keratin，CK）c-Myc和p632.调控毛囊干细胞分化发育的重要信号分子 Wnt 信号胚胎期皮肤多能干细胞接受Wnt信号调控。参与成年哺乳动物上皮细胞结构重塑和毛囊的

17、形成。 BMP 和Hh 信号毛囊干细胞微环境中，上述信号分子协同作用，相互平衡，精细调控皮肤干细胞的分化发育。（四）（四） 肝干细胞的分化是一个严密调控的复杂变化过程肝干细胞的分化是一个严密调控的复杂变化过程1.肝干细胞的起源和定位胚胎发育过程中，肝原基（liver bud）起源于前肠内胚层，胚胎期和新生儿期肝干细胞位于导管板（ductal plate）内，可以定向分化为肝细胞和胆管上皮细胞。成年肝干细胞位于Hering管区域内，直接参与肝脏的生长和发育，同时也是肝细胞再生的重要细胞来源。 2. 调控肝干细胞分化的重要信号分子 Hex、FoxA2、BMP、HNF4等是调控肝脏发育的重要信号分子

18、。3. 肝干细胞的特征性标志物 肝干细胞角蛋白19（CK19）神经细胞黏附分子（NCAM）上皮细胞黏附分子（EpCAM）claudin-3(CLDN-3)Liv2、Dlk-2肝祖细胞甲胎蛋白（AFP）Alb基因4. 肝干细胞的诱导分化 成体肝组织内分离得到具有向肝细胞和胆管上皮细胞双向分化特性的肝干细胞。体外胚胎干细胞向肝细胞的定向诱导分化：主要经过胚状体形成内胚层特定分化肝祖细胞形成类肝细胞成熟四阶段形成肝样细胞。（五）（五） 其他干细胞的自我更新与分化同样受到精密其他干细胞的自我更新与分化同样受到精密 调控调控 1. 神经干细胞的发现及意义 1992年Brent A. Reynolds和S

19、amuel Weiss从成年小鼠侧脑室膜下区分离出能够不断增殖并具有分化潜能的细胞。 神经干细胞的特征性表面标志物包括神经细胞中间丝蛋白，即巢蛋白（nestin），以及波形蛋白（vimentin）、胶质细胞原纤维酸性蛋白 （GFAP）等。2. 小肠干细胞的增殖与分化小肠干细胞位于小肠隐窝底部，分散于潘氏细胞周围，隐窝干细胞的数目约占0.4%0.6%，每一个隐窝大约包括了46个小肠干细胞。 小肠干细胞接受微环境中信号分子的调控，以确保小肠行使正常的生物学功能。 小肠干细胞的主要生物学特征。 三、三、生殖干细胞维持了生物种代间的延生殖干细胞维持了生物种代间的延续性续性胚胎来源的胚胎生殖细胞成体组织

20、来源的生殖干细胞生殖干细胞生殖干细胞是形成成熟配子体（精子或卵子）的前体细胞，通常认为其起源于原始生殖细胞(primordial germ cell，PGC)。 （一）原始生殖细胞是各级生殖母细胞和成熟配子（一）原始生殖细胞是各级生殖母细胞和成熟配子的共同祖先的共同祖先 原始生殖细胞的来源多数观点认为其来源于胚胎外胚层，但人类原始生殖细胞可能起源于靠近尿囊基部的卵黄囊背侧内胚层。 精原干细胞的发育与分化（二）原始生殖细胞具有特征性的表面标志物（二）原始生殖细胞具有特征性的表面标志物 人类原始生殖细胞高表达碱性磷酸酶、糖脂类SSEAs、糖蛋白TRA-1-60、TRA-1-81、EMA-1、转录因

21、子OCT-4及端粒末端转移酶（hTERT）。 PGC的分化需要BMP和转化生长因子超家族成员的协同作用。 第三节第三节 干细胞干细胞“干性干性”的调控机制的调控机制 一、细胞外信号分子通过调控细胞内一些重一、细胞外信号分子通过调控细胞内一些重 要转录因子来维持干细胞要转录因子来维持干细胞“干性干性” 胚胎干细胞主要通过细胞外信号分子调控细胞内一些重要转录因子，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。目前已知的主要细胞外因子包括白血病抑制因子LIF（leukemia inhibiting factor），BMP4等，细胞内重要的转录因子包括STAT3、Oct3/

22、4，Sox-2和Nanog等。 （一） 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 LIF-STAT信号通路图信号通路图 STAT3 ：称为信号转导和活化转录因子。Oct3/4： 最早称为Oct-3或Oct-4，现统一命名为Oct3/4，由Pou5f1 基因编码，属于POU家族V 型转录因子。Sox-2：Sox (Sry-related HMG box-containing)是Sry-相关转录因子家族的成员 ，和Oct-3/4相互协同调节下游靶基因。Nanog：是最近鉴定的维持干细胞未分化状态的重要转录因子。 （二）一些重要的转录因子参与调控干细胞的未分化状态小鼠ES细胞“干性”

23、的维持主要通过三个水平进行：第一是外源重要信号分子如LIF或BMP等，第二是转录调节因子主要包括Oct3/4、Nanog、Sox2，第三是调控细胞重要生命活动（包括细胞周期、端粒酶活性、细胞凋亡或分化等）的重要基因的功能。 二、干细胞“干性”的维持有赖于细胞内复杂的协同反馈调控网络 Nanog、Oct3/4以及Sox2在相同靶基因启动子区重叠出现的几率非常高。 Nanog、Oct3/4以及Sox2还能分别与各自的启动子结合，形成交互作用的自我调节网络，维持干细胞的未分化特性。 上述三种转录因子还存在自身负反馈调节机制。三、细胞外信号分子通过胞内重要的信号细胞外信号分子通过胞内重要的信号 途径参

24、与调控干细胞的自我更新与分途径参与调控干细胞的自我更新与分 化潜能化潜能 （一）（一） TGF-/BMP信号在干细胞的发育中起重信号在干细胞的发育中起重要作用要作用 （1） TGF-家族调控胚胎干细胞的增殖与分化（2）对造血干细胞分化的影响 （3）对间充质干细胞分化的调控 TGF-/BMP和和Wnt/catenin信号途径信号途径（二）（二） Wnt是干细胞正常分化与增殖所需的重要细胞是干细胞正常分化与增殖所需的重要细胞 因子因子 Wnt信号经典通路调控干细胞的自我更新与增殖Wnt信号在神经系统发育中的重要作用 Wnt信号通路对造血干细胞的分化与发育 （三）（三）其他信号分子以网络调控方式调控

25、干细胞的其他信号分子以网络调控方式调控干细胞的增殖与分化增殖与分化 FGF信号调控胚胎干细胞的分化与发育，Notch、HH信号参与神经系统、造血系统和骨髓间充质干细胞的增殖与分化等。 在不同组织干细胞微环境中，没有任何一种信号分子对干细胞的生物学行为呈现单点、一一对应的调控方式，都是通过不同信号分子的协同作用形成了复杂的调控网络，共同调控干细胞的增殖与分化。 在不同类型的组织干细胞或干细胞发育的不同阶段，细胞内特征性的组蛋白修饰，可以将基因组分割成为活化基因区、抑制基因区以及待活化区域，使基因的转录和表达呈现独特的模式，精细调控干细胞的分化与发育。四、四、表观遗传修饰参与调控干细胞的正常表观遗

26、传修饰参与调控干细胞的正常分化与发育分化与发育 1.组蛋白共价修饰在调节基因转录中的重要的作用组蛋白修饰调控染色质空间结构和基因转录图组蛋白修饰调控染色质空间结构和基因转录图通过组蛋白的不同修饰状态，使染色质处于不同的空间结构通过组蛋白的不同修饰状态，使染色质处于不同的空间结构如异染色质、常染色质以及转录活化状态。组蛋白的甲基化如异染色质、常染色质以及转录活化状态。组蛋白的甲基化修饰通常使目的基因的转录处于封闭状态，而组蛋白乙酰化修饰通常使目的基因的转录处于封闭状态，而组蛋白乙酰化修饰导致染色质紧密结构松散，有利于基因的转录。修饰导致染色质紧密结构松散，有利于基因的转录。 2.DNA甲基化修饰

27、主要与基因抑制相关DNA甲基化是另外一种表观遗传修饰方式，主要与基因抑制（genesuppression）相关。未分化干细胞与进入分化进程的干细胞中重要功能基因的甲基化状态不同。3. miRNA的作用的作用 Micro RNA（miRNA）是非编码蛋白的RNA转录产物，长度约2025nt。 在ES细胞分化过程中，miRNA的表达谱发生动态改变。 基因表达调控的表观遗传修饰方式之间，以及这些修饰方式与维系干细胞未分化特性的重要转录因子之间，存在着相互协调和相互影响的复杂网络，使得细胞内某些重要功能基因被选择性激活或抑制，共同调节干细胞的分化和发育。 第四节第四节 干细胞与疾病的关系干细胞与疾病的

28、关系 一、传统的肿瘤发生假说不能圆满解释肿瘤的发生一、传统的肿瘤发生假说不能圆满解释肿瘤的发生 机制机制肿瘤的发生是一种克隆进化疾病。 肿瘤的发生是体细胞基因多阶段突变积累和演变的过程，经历了起始（initiation）、积累（accumulation）和促进（promotion）三个阶段。 结肠癌的发生是典型的、研究较为透彻的基因突变积累过程的例子。基因突变与基因突变与“克隆进化克隆进化”假说不能完全假说不能完全解释肿瘤的发生机制解释肿瘤的发生机制 体细胞自发突变形成肿瘤的可能性比较小。肿瘤的发生必须突破细胞静止状态的限制，例如逃逸一些调控细胞周期关键分子的作用。干细胞强大的增殖能力可以作为

29、肿瘤细胞的重要来源，同时它们在体内长期存在，也为基因的突变积累提供了基础。 肿瘤发生的克隆选择假说与肿瘤干细胞假说肿瘤发生的克隆选择假说与肿瘤干细胞假说 二、肿瘤干细胞假说为肿瘤发生机制的认二、肿瘤干细胞假说为肿瘤发生机制的认识提供了新的思路识提供了新的思路（一）（一） 肿瘤干细胞是肿瘤发生的原始细胞肿瘤干细胞是肿瘤发生的原始细胞 1994年John Dick首先发现急性髓样白血病（AML）病人体内存在肿瘤干细胞。 2003年发现了乳腺癌干细胞和脑肿瘤干细胞。 目前已经在肠道肿瘤、骨肉瘤、肝癌等实体瘤以及血液系统肿瘤中发现了肿瘤干细胞。1. 肿瘤干细胞的发现 2. 肿瘤干细胞的概念 肿瘤干细胞

30、（cancer stem cell, CSC）也称为肿瘤起源细胞（tumor-initiating cell），是从肿瘤组织中分离或鉴定的少数细胞，具有无限的自我更新和诱导肿瘤发生的能力，是肿瘤产生的种子细胞。 肿瘤干细胞的生物学特征图肿瘤干细胞的生物学特征图 3. 肿瘤干细胞的表面标志物 已经鉴定的肿瘤干细胞表面标志物肿瘤瘤类别细胞表面胞表面标志物志物AMLCD34+CD38-多发性骨髓瘤CD34-CD138-神经系统肿瘤CD133+乳腺癌CD44+CD24-/low结肠癌CD133+肝癌CD90+CD45-胰腺癌CD44+CD24+ESA+头颈部肿瘤CD44+Lineage-4.肿瘤干细胞

31、与正常干细胞的比较具有一些共同的表面标志物均具有体内组织器官的迁移能力均具有强大的自我更新能力存在相似的、调节自我更新的信号转导途径。（二）（二） 干细胞异常分化和增殖导致肿瘤的发生干细胞异常分化和增殖导致肿瘤的发生 1. 干细胞未成熟分化和异常增殖与肿瘤干细胞未成熟分化和异常增殖与肿瘤 干细胞异常分化与肿瘤的发生干细胞异常分化与肿瘤的发生2. 肿瘤干细胞微环境与肿瘤干细胞恶性转化肿瘤干细胞微环境与肿瘤干细胞恶性转化肿瘤干细胞微环境图肿瘤干细胞微环境图 肿瘤干细胞微环境中的信号异常活化或者结构改变，是肿瘤干细胞恶性表型的重要刺激因素（小肠腺瘤细胞、皮肤毛囊肿瘤细胞和淋巴细胞性白血病细胞信号通路

32、的异常）肿瘤干细胞微环境与肿瘤转移和侵袭的关系（三）肿瘤干细胞概念为肿瘤发生机制和治疗的研究（三）肿瘤干细胞概念为肿瘤发生机制和治疗的研究开辟了新的路径开辟了新的路径 “肿瘤干细胞”与“克隆进化”假说相互补充，更好解释了“克隆进化”学说不能解释的一些临床现象。肿瘤干细胞概念的提出不但加深了人们对肿瘤发生机制的认识，对肿瘤的治疗研究也开辟了新的思路。三、三、 干细胞的衰老与老年疾病和退行性干细胞的衰老与老年疾病和退行性疾病的发生相关疾病的发生相关 机体衰老过程中出现细胞DNA损伤和凋亡信号通路的活化，组织干细胞自我更新能力的减弱甚至组织干细胞的凋亡，或许与退行性疾病的发生密切相关。（详见第十二章

33、中细胞衰老）第五节第五节 细胞重编程及诱导多能干细胞细胞重编程及诱导多能干细胞一、体细胞重编程为干细胞和再生医学一、体细胞重编程为干细胞和再生医学 的研究开辟了全新的领域的研究开辟了全新的领域 细胞重编程（reprogramming）能引导体细胞基因 表达向胚胎细胞或者其他类型细胞转变。 细胞分化逆转的最早证据来自于将体细胞核导入去核卵细胞的实验研究。细胞重编程的可能机制细胞重编程的可能机制细胞重编程的进程经历了一种中间细胞状态；调控ES细胞分化与发育相关的染色质修饰蛋白；与某些维持干细胞未分化状态的关键基因相关；原癌基因如c-Myc和Klf4 可以促进重编程；细胞融合诱导的重编程还涉及染色质

34、蛋白的交换。 二、细胞重编程的新技术方法具有重大二、细胞重编程的新技术方法具有重大的理论意义和实用价值的理论意义和实用价值 （一）核转移技术提供了实现体细胞分化 逆转的重要手段 （二）体细胞与胚胎干细胞融合将表现 出多能干性 （三）细胞谱系转化打破了传统的细 胞单向分化规则 （四）转录因子联合诱导多能干细胞的 产生是细胞重编程研究最受关注 的热点 细胞重编程常用的技术方法细胞重编程常用的技术方法 1.细胞生物学特征（五）（五）iPS细胞具有和胚胎干细胞相似的细胞具有和胚胎干细胞相似的生物学特征生物学特征 （1）形态学特点：iPS形态与ES相似，单个细胞呈圆形，核大，胞质少。形成的细胞克隆也与E

35、S细胞相似：人类iPS细胞克隆呈扁平状、边缘锐利；小鼠iPS细胞克隆呈圆形、堆积更为紧密。（2）生长特性：细胞倍增时间和有丝分裂行为对ES细胞执行生物学功能是非常重要的，iPS细胞有丝分裂和自我更新特性与ES相同。（3）干细胞表面标志物：人iPS细胞表达hESC特异的标志物，如SSEA-3,SSEA-4, TRA-1-60, TRA1-81, Nanog等，小鼠来源的iPS特异表达SSEA-1。（4）干细胞特异基因：iPS细胞表达未分化的ES细胞特异基因，包括Oct3/4, Sox2, Nanog, FGF4, Rex1,hTERT等。（5）端粒酶活性：iPS同样具有活跃的端粒酶活性，以维持细

36、胞的自我更新与增殖。2. 多向分化潜能：iPS细胞可以向神经干细胞或心肌细胞分化。 3. 表观遗传学特征：（1）启动子区甲基化：在iPS细胞中维系干细胞特 性的重要基因变为去甲基化，说明上述基因的 活化诱导iPS的发生。 （2）组蛋白的去甲基化：iPS细胞中与Oct3/4, Sox2, Nanog相关的组蛋白H3发生去甲基化改变， 也提示上述基因的活化参与iPS的形成。 第六节第六节 干细胞的治疗应用与前景展望干细胞的治疗应用与前景展望一、干细胞是组织工程较为理想的种子细胞一、干细胞是组织工程较为理想的种子细胞 组织工程是采用细胞、生物材料和组织重建技术，研究和开发用于修复、替代和促进人体组织

37、或器官损伤后功能和形态的生物替代物。 干细胞是组织工程较为理想的种子细胞：具有强大的自我更新、增殖能力和进一步分化的潜能。组织干细胞用于组织工程的方式（1）体外培养扩增组织干细胞，直接回输体内。（2）体外诱导组织干细胞分化成组织器官，然后进行组织器官移植。（3）将组织干细胞种植于生物活化支架或装置，并添加合适的诱导因子，体内诱导组织干细胞的活化与增殖，达到在导入局部或远端修复受损组织器官的目的。 二、自体来源干细胞治疗是干细胞治疗的重要发展方向 体细胞核移植（SCNT）技术 SCNT的获取效率较低，在哺乳类动物的研究仍然处于初期阶段。iPS技术 常规iPS 技术中采用的病毒载体会带来潜在的治疗

38、安全性问题。最近发展了非整合型的附着载体（episomal vectors）或病毒自剪切多肽技术来获 取人iPS细胞的方法。 三、三、干细胞在组织工程中的应用和发展干细胞在组织工程中的应用和发展 干细胞治疗的发展前景胚胎干细胞的应用需要解决好来源和培养物沾染问题组织干细胞需要解决体外培养高效扩增等问题深入研究干细胞的分化机制、建立体外三维立体培养条件以及开发体内适用的新型生物材料，将是干细胞和组织工程研究的核心。 思考题思考题 1.简述干细胞的基本生物学特征。 2.组织干细胞分化的可塑性及其意义。 3.干细胞微环境的概念和组成。 4.胚胎干细胞的来源和标志物？ 5.组织干细胞和生殖干细胞的定位

39、和主要标志物？ 6.阐述维持干细胞干性的主要转录因子和调节网络。 7.解释肿瘤干细胞的概念和生物学特征。 8.简述细胞重编程的常用技术和方法。 9.试述iPS技术的概念和发展。1.LanzaR,GearhartJ,HoganB,etal.EssentialsofStemCellBiology.London:ElsevierAcademicPress,20062.SellS.StemCellHandbook.Totowa:HumanaPressInc,20043.Blanpain C, Fuchs E.Epidermalhomeostasis:abalancingactofstemcellsintheskin.NatRevMolCellBiol.2009,10(3):207-17.4.SimthC.HematopoieticStemCellsandHematopoiesis.CancerControl.2003,10(1):9-16.推荐阅读资料推荐阅读资料NatureScienceCellPNASAnnual Review of Cell BiologyTrends in Cell BiologyCell Research主要期刊杂志主要期刊杂志