干细胞的生物学特征

干细胞(stem cell)Human:1014 cells,200 cell types一，干细胞的定义一，干细胞的定义干细胞干细胞(stem cell)是在胚胎和成体组织中具有是在胚胎和成体组织中具有自自我复制我复制(self-renewal)和和分化分化(differentiation)潜能潜能的细胞。的细胞。二，干细胞的生物学特征二，干细胞的生物学特征（一）自我更新特征（一）自我更新特征对称分裂：对称分裂：形成两个相同的干细胞或分化细胞；形成两个相同的干细胞或分化细胞；非对称分裂：非对称分裂：一个保持亲代细胞的特征，另一个走向分一个保持亲代细胞的特征，另一个走向分化的终端成为功能专一的分化细胞。化的终端成为功能专一的分化细胞。5 干细胞的对称分裂和不对称分裂干细胞的对称分裂和不对称分裂对对称分裂称分裂称分裂称分裂 （symmetry divisionsymmetry division）不不不不对对称分裂称分裂称分裂称分裂 （asymmetry divisionasymmetry division）干细胞干细胞 分分 化化 细细 胞胞 干细胞干细胞 分化细胞分化细胞1干干细细胞胞增增殖殖速速度度慢慢：细细胞胞动动力力学学研研究究表表明明，干干细细胞胞的的增增殖殖速速度度较较慢慢，细细胞胞分分裂裂周周期期长长，多多数数处处于于G0期期,组织中快速分裂的细胞是组织中快速分裂的细胞是过渡放大细胞过渡放大细胞。如小肠干细胞的分裂速度比过渡放大细胞慢一倍。如小肠干细胞的分裂速度比过渡放大细胞慢一倍。（二）增殖缓慢性（二）增殖缓慢性二，干细胞的生物学特征二，干细胞的生物学特征2.过渡放大细胞：过渡放大细胞：过渡放大细胞过渡放大细胞（transit amplify cell，TA cell）是介于是介于干细胞和分化细胞之间的过渡细胞，过渡放大细胞经若干细胞和分化细胞之间的过渡细胞，过渡放大细胞经若干次分裂产生分化细胞。干次分裂产生分化细胞。通过这种方式，机体可用较少干细胞获得较多分化细胞。通过这种方式，机体可用较少干细胞获得较多分化细胞。3干细胞增殖缓慢的意义：干细胞增殖缓慢的意义：(1)利于干细胞对外界信号作出反应，以决定细胞的利于干细胞对外界信号作出反应，以决定细胞的发展方向发展方向增殖或分化。增殖或分化。(2)减少基因突变的危险。增殖缓慢使干细胞有时间减少基因突变的危险。增殖缓慢使干细胞有时间发现并纠正处于增殖周期过程中的错误。发现并纠正处于增殖周期过程中的错误。（三）分化特征：（三）分化特征：干细胞能够产生至少一种类型的高度分化的子代细胞。干细胞能够产生至少一种类型的高度分化的子代细胞。干细胞的功能为控制和维持细胞的再生。干细胞的功能为控制和维持细胞的再生。增殖增殖分化分化二，干细胞的生物学特征二，干细胞的生物学特征根据分化潜能：根据分化潜能：全能干细胞全能干细胞(totipotent stem cell,TSC)：具有形成完整个体：具有形成完整个体的分化潜能，如胚胎干细胞，受精卵就是最高层次的胚胎的分化潜能，如胚胎干细胞，受精卵就是最高层次的胚胎干细胞。干细胞。多能干细胞多能干细胞(pluripotent stem cell)：具有分化出多种细胞：具有分化出多种细胞组织的潜能，如造血干细胞、神经细胞。一种或几种组织组织的潜能，如造血干细胞、神经细胞。一种或几种组织的起源细胞，它能分化出多种类型细胞，但不可能分化出的起源细胞，它能分化出多种类型细胞，但不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞。足以构成完整个体的所有细胞。单能干细胞单能干细胞(unipotent stem cell)：只能向一种或两种密切：只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉相关的细胞类型分化，如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞。中的成肌细胞。三，干细胞的分类三，干细胞的分类根据发育阶段：根据发育阶段：三，干细胞的分类三，干细胞的分类胚胎干细胞胚胎干细胞(embryonic stem cell)：具有分化具有分化为机体任何一种组织器官潜能的细胞。为机体任何一种组织器官潜能的细胞。成体干细胞成体干细胞(somatic stem cell)：由胚胎干细由胚胎干细胞分化形成的，只能分化为相应组织器官内胞分化形成的，只能分化为相应组织器官内的功能细胞。的功能细胞。一，胚胎干细胞定义一，胚胎干细胞定义胚胎干细胞胚胎干细胞（embryonic stem cell，简称，简称ES细胞）是细胞）是从着床前从着床前胚胎内细胞团胚胎内细胞团或或原始生殖细胞原始生殖细胞经体外分化抑经体外分化抑制培养分离的一种全能性细胞系，可以分化成任何一制培养分离的一种全能性细胞系，可以分化成任何一种组织类型的细胞。种组织类型的细胞。胚胎干细胞具有全能性，能够分化成全身胚胎干细胞具有全能性，能够分化成全身200200多种细多种细胞类型，进一步形成机体的任何组织和器官。胞类型，进一步形成机体的任何组织和器官。二，胚胎干细胞的特征二，胚胎干细胞的特征形态特征形态特征 体积小、核大，有一个或多个核仁；胚胎干细胞体积小、核大，有一个或多个核仁；胚胎干细胞克隆紧密堆积，无明显的界限，克隆紧密堆积，无明显的界限，形似鸟巢形似鸟巢。生化特征生化特征 碱性磷酸酶呈强阳性；碱性磷酸酶呈强阳性；端粒酶活性高，具有长的端粒；端粒酶活性高，具有长的端粒；表达早期胚胎细胞的阶段特异性抗原。表达早期胚胎细胞的阶段特异性抗原。遗传学特征遗传学特征 染色体数目和核型与来源细胞保持一致。染色体数目和核型与来源细胞保持一致。胚胎干细胞在胚胎干细胞在体外不断增殖且维持遗传的稳定性（正体外不断增殖且维持遗传的稳定性（正常的核型及端粒的长度）常的核型及端粒的长度）三、人胚胎干细胞建系三、人胚胎干细胞建系分离囊胚的内细胞群与成纤维细胞共培养，ES细胞非分化增殖胚胎干细胞的鉴定定向诱导分化成体干细胞功能细胞建系步骤建系步骤：1.1.获取早期发育的胚胎获取早期发育的胚胎2.2.分离囊胚的内细胞群分离囊胚的内细胞群3.3.ESES细胞体外培养，细胞非细胞体外培养，细胞非分化增殖分化增殖 4.4.ESES细胞的鉴定细胞的鉴定5.5.ESES的传代和冻存的传代和冻存 着床前胚胎发育着床前胚胎发育19981998年，年，Dr.ThomsonDr.Thomson从体外受精的人类胚胎的囊胚期内细胞从体外受精的人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离多能干细胞进行培养，分离到五个细胞系。这些群中直接分离多能干细胞进行培养，分离到五个细胞系。这些细胞系被继续培养了五至六个月，传了细胞系被继续培养了五至六个月，传了3232代仍可继续生长。代仍可继续生长。同年，同年，Dr.GearheartDr.Gearheart从终止妊娠的胎儿组织中得到原始的生从终止妊娠的胎儿组织中得到原始的生殖细胞，在体外培养九个月，这些细胞具有与殖细胞，在体外培养九个月，这些细胞具有与ThomsonThomson分离的分离的人人ESES细胞同样的生物学特性。细胞同样的生物学特性。四，人胚胎干细胞的培养四，人胚胎干细胞的培养(1)特殊的培养液：用特殊的培养液：用DMEM培养液；培养液；(2)以人或胚鼠的成纤维细胞为饲养细胞以人或胚鼠的成纤维细胞为饲养细胞(feed cell)；(3)必须加入必须加入LIF（leukemia inhibitory factor)，抑制，抑制细胞分化。细胞分化。碱性磷酸酶活性碱性磷酸酶活性：未分化的胚胎细胞中含有：未分化的胚胎细胞中含有丰富的碱性磷酸酶，活性很高；而已经分化丰富的碱性磷酸酶，活性很高；而已经分化的胚胎干细胞中碱性磷酸酶呈现弱阳性或阴的胚胎干细胞中碱性磷酸酶呈现弱阳性或阴性。性。端粒酶活性端粒酶活性：胚胎干细胞有着高水平的端粒：胚胎干细胞有着高水平的端粒酶活性，并具有长的端粒。酶活性，并具有长的端粒。干细胞标记物干细胞标记物：胚胎干细胞为未分化细胞，：胚胎干细胞为未分化细胞，能表达早期胚胎细胞的阶段特异性胚胎抗原能表达早期胚胎细胞的阶段特异性胚胎抗原（SSEASSEA）。）。五，胚胎干细胞的鉴定五，胚胎干细胞的鉴定人、猴、小鼠胚胎干细胞的人、猴、小鼠胚胎干细胞的细胞表面标志细胞表面标志物检测物检测A.AKP染色B.SSEA-1 染色C.SSEA-3染色B.D.SSEA-4染色E.TRA-1-6染色E.TRA-1-8染色细胞表面标志物检测细胞表面标志物检测六，胚胎干细胞的诱导分化六，胚胎干细胞的诱导分化 胚胎干细胞诱导成神经细胞胚胎干细胞诱导成神经细胞（1 1）RARA诱导；诱导；（2 2）生长因子诱导：）生长因子诱导：FGF2FGF2，FGF8FGF8；（3 3）共培养法：与骨髓基质细胞共培养；）共培养法：与骨髓基质细胞共培养；（4 4）基因转染：）基因转染：NurrlNurrl，bHLHbHLH，Mash1Mash1等；等；（5 5）移植到体内，利用局部环境诱导）移植到体内，利用局部环境诱导。红色：突起色：突起绿色：胶色：胶质细胞胞胚胎干细胞脑内移植后分化为神经前体细胞胚胎干细胞脑内移植后分化为神经前体细胞（A A图中红色细胞）和卫星细胞（图中红色细胞）和卫星细胞（B B图中红色图中红色细胞）细胞）七，胚胎干细胞的应用前景七，胚胎干细胞的应用前景生产克隆动物生产克隆动物生产转基因动物生产转基因动物用于器官组织移植用于器官组织移植用于细胞治疗人类胚胎干细胞群用于细胞治疗人类胚胎干细胞群争争论的焦点的焦点:1.胚胎的生命胚胎的生命权2.父母的知情父母的知情权2.治治疗性克隆和生殖性克隆性克隆和生殖性克隆国国际上多数国家的政府和学上多数国家的政府和学术界支持胚胎干界支持胚胎干细胞的研究，包括治胞的研究，包括治疗性克隆的研究性克隆的研究。八、胚胎干细胞研究的法律和伦理问题八、胚胎干细胞研究的法律和伦理问题不同国家、地区的人胚胎干不同国家、地区的人胚胎干细胞研究政策胞研究政策允允许或制定灵活的人胚胎干或制定灵活的人胚胎干细胞研究政策：胞研究政策：澳大利澳大利亚，比利，比利时，巴西，加拿大，巴西，加拿大，中国中国，捷克斯，捷克斯洛伐克，丹麦，洛伐克，丹麦，爱沙尼沙尼亚，芬，芬兰，法国，希腊，匈牙利，法国，希腊，匈牙利，冰冰岛，印度，以色利，日本，拉脱，印度，以色利，日本，拉脱维亚，荷，荷兰，新西，新西兰，俄国，新加坡，斯洛文尼俄国，新加坡，斯洛文尼亚，南非，南非，韩国，西班牙，瑞国，西班牙，瑞典，瑞士，中国台湾，泰国，英国。典，瑞士，中国台湾，泰国，英国。严格限制：格限制：德国，意大利，香港。德国，意大利，香港。完全禁止：完全禁止：奥地利，奥地利，爱尔兰，立陶宛，挪威，波，立陶宛，挪威，波兰。一，成体干细胞定义一，成体干细胞定义成体干细胞成体干细胞(somatic stem cell)：是成体组织内具有是成体组织内具有更新和进一步分化潜能的细胞。更新和进一步分化潜能的细胞。一，成体干细胞定义一，成体干细胞定义二，成体干细胞特征二，成体干细胞特征1 1，为多能或单能干细胞，为多能或单能干细胞2 2，能够自我更新并且能够分化形成组成该类，能够自我更新并且能够分化形成组成该类型组织的细胞，使组织和器官保持生长和衰型组织的细胞，使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。退的动态平衡。3 3，机体的多种成熟分化的组织中普遍存在成，机体的多种成熟分化的组织中普遍存在成体干细胞，如体干细胞，如造血干细胞造血干细胞、神经干细胞神经干细胞、皮皮肤干细胞、间质干细胞、肌肉干细胞，肝脏肤干细胞、间质干细胞、肌肉干细胞，肝脏干细胞、等。干细胞、等。二，成体干细胞特征二，成体干细胞特征4,4,横向分化横向分化(转分化转分化)：部分成体干细胞在特定条件下可以转化为其它细胞部分成体干细胞在特定条件下可以转化为其它细胞l造血干细胞造血干细胞 神经细胞神经细胞 骨骼肌细胞骨骼肌细胞 心肌细胞心肌细胞 肝细胞肝细胞l骨髓基质细胞骨髓基质细胞骨骼肌细胞骨骼肌细胞 心肌细胞心肌细胞l神经干细胞神经干细胞 血细胞血细胞 骨骼肌细胞骨骼肌细胞二，成体干细胞特征二，成体干细胞特征造血干细胞造血干细胞（hematopoietic stem cell，HSC）:是是体内各种血细胞的唯一来源，所有的血细胞都是由造体内各种血细胞的唯一来源，所有的血细胞都是由造血干细胞定向分化、增殖而成。血干细胞定向分化、增殖而成。人类造血干细胞首先出现于胚龄第人类造血干细胞首先出现于胚龄第23周的卵黄囊，周的卵黄囊，在胚胎早期（第在胚胎早期（第23月）迁至肝、脾，第月）迁至肝、脾，第5个月又从肝、个月又从肝、脾迁至骨髓。在胚胎末期一直到出生后，骨髓成为造脾迁至骨髓。在胚胎末期一直到出生后，骨髓成为造血干细胞的主要来源。血干细胞的主要来源。在造血组织中，所占比例甚少，如在小鼠骨髓中在造血组织中，所占比例甚少，如在小鼠骨髓中105核核细胞中的有细胞中的有10个，在脾中个，在脾中105有核细胞中只有有核细胞中只有0.2个。个。造血干细胞造血干细胞造血干造血干细胞细胞 淋巴系淋巴系干细胞干细胞再生再生B 淋巴淋巴细胞细胞 T 淋巴淋巴细胞细胞NK细胞细胞 单核单核 细胞细胞嗜中性嗜中性粒细胞粒细胞嗜酸性嗜酸性粒细胞粒细胞嗜碱性嗜碱性粒细胞粒细胞肥大肥大细胞细胞 血小板血小板 红细胞红细胞 巨核细胞巨核细胞 髓红系髓红系干细胞干细胞 髓系髓系干细胞干细胞粒粒-单核系单核系干细胞干细胞红母细胞红母细胞造造 血血 干干 细细 胞胞 的的 分分 化化 途途 径径树突状树突状细胞细胞？树突状树突状细胞细胞？造造 血血 干干 细细 胞胞爱德华爱德华唐纳尔唐纳尔托马斯托马斯造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性转移性肿瘤疾病的最有效方法。疾病以及多发性转移性肿瘤疾病的最有效方法。90年代初，年代初，Reynolds等等从成年小鼠脑纹状体分离从成年小鼠脑纹状体分离出能在体外不断分裂增殖、具有多种分化潜能的细出能在体外不断分裂增殖、具有多种分化潜能的细胞群，正式提出了胞群，正式提出了“神经干细胞神经干细胞”的概念。的概念。神经干细胞神经干细胞(Neural Stem Cells,NSC):是从来源于神是从来源于神经组织及神经组织发源地、具有干细胞特征、终生经组织及神经组织发源地、具有干细胞特征、终生保持自我更新能力并能分化为各种神经细胞（包括保持自我更新能力并能分化为各种神经细胞（包括神经元、神经胶质细胞、少突胶质细胞等）的一类神经元、神经胶质细胞、少突胶质细胞等）的一类细胞。细胞。神经干细胞神经干细胞 神经元与神经胶质细胞神经元与神经胶质细胞神神经经干干细细胞胞分分化化成人组织中神经干细胞的位置成人组织中神经干细胞的位置前脑的室下带前脑的室下带(subventricular zone,SVZ)海马的齿状回海马的齿状回(dentate gyrus of hippocampus)脊髓脊髓(Spinal cord)纹状体纹状体(Striate body)43体外培养的神经干细胞球体外培养的神经干细胞球 体外分离培养并诱导分化体外分离培养并诱导分化的神经干细胞的神经干细胞44电镜下正在进行有丝电镜下正在进行有丝分裂的神经干细胞分裂的神经干细胞 体外分离培养并诱导分体外分离培养并诱导分化的少突胶质细胞化的少突胶质细胞 神经干细胞移植神经干细胞移植将神经干细胞移植到帕金森病模型的鼠脑将神经干细胞移植到帕金森病模型的鼠脑,神经干细神经干细胞在其脑组织中迁移并修复损毁的脑组织胞在其脑组织中迁移并修复损毁的脑组织,且震颤症且震颤症状明显减轻状明显减轻,可能是神经干细胞分化成为多巴胺能神可能是神经干细胞分化成为多巴胺能神经元起到治疗作用。经元起到治疗作用。诱导多潜能性干细胞诱导多潜能性干细胞（又称多潜能干细胞，又称多潜能干细胞，induced pluripotent stem cells,iPS cells）：）：是由将一些多能遗传基因导入皮肤等受体细胞中是由将一些多能遗传基因导入皮肤等受体细胞中通过基因重新编排方法，通过基因重新编排方法，“诱导诱导”普通细胞回到普通细胞回到最原始的胚胎发育状态，能够像胚胎干细胞一样最原始的胚胎发育状态，能够像胚胎干细胞一样进行分化。进行分化。诱导多潜能性干细胞诱导多潜能性干细胞20122012年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖山中伸弥山中伸弥The End