细胞生物学：10-2干细胞与组织维持和再生64h

第十六章 干细胞与组织的维持和再生stem cell and tissue regeneration第一节 干细胞基础生物学第二节 干细胞的分离、培养与鉴定第三节 干细胞“干性”的调节机制第一节 干细胞基础生物学动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向 脊椎动物细胞分化示意图脊椎动物细胞分化示意图一、干细胞是具有自我更新与分化潜能的未分化或低分化细胞干细胞具有“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，例如胚胎干细胞可以分化形成个体的所有成熟细胞类型。干细胞(stem cell)按分化潜能的大小,干细胞可分为三类:二、干细胞具有不同的分类方法二、干细胞具有不同的分类方法 全能干细胞能够形成整个机体所有的组织细胞和胚外组织的干细胞，它们可以分化为个体的所有细胞类型。例如受精卵和早期胚胎细胞多能干细胞能够分化形成多种不同细胞类型的干细胞，显示出多系分化潜能的特征。间充质干细胞的体外诱导分化单能干细胞通常指特定谱系的干细胞，它们仅产生一种类型的分化细胞，因此分化能力较弱。例如表皮干细胞只能分化成为皮肤表皮的角质形成细胞，心肌干细胞只能发育为心肌细胞。 受精卵各器官细胞全能细胞多能细胞单能细胞各胚层细胞根据细胞所处的发育阶段和发生学来源的不同胚胎干细胞组织干细胞生殖干细胞（成体干细胞）可以诱导分化为任何一种组织细胞具有无限增值能力和多向分化潜能胚胎干细胞主要来源于植入前胚胎内细胞团 Inner cell mass内细胞团组织干细胞在个体器官和组织发生过程中，某些干细胞可能先后离开所在群体的分化增值过程，迁移并定居在特定器官或器官雏形中的某个位置，并保留自己的干细胞特性，形成组织干细胞。一旦机体需要,这些细胞便可按发育途径,先分裂后分化,产生分化细胞。人体产生和存储造血干细胞的部位有三个脐带血新生儿脐带被结扎后，胎盘内流出的血外周血血管里有少量，供者痛苦少骨髓大部分，骨髓采集，供者要全麻，或者其骨上凿几个洞。角蛋白角蛋白角质化细胞角质化细胞颗粒细胞颗粒细胞棘细胞棘细胞基底细胞基底细胞基膜基膜真皮真皮 外界外界迁移细胞迁移细胞干细胞干细胞分裂中的分裂中的干细胞干细胞核解体核解体表皮层表皮层哺乳动物皮肤剖面图组织干细胞的特点能自我更新,保持干细胞群体数量和功能的稳定；具有谱系定向分化能力，是已决定,未分化的细胞；具有特定组织定居能力，替代受损细胞或死亡细胞。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、神经干细胞也可以向造血干细胞分化。 组织干细胞和多能干细胞用圆形表示，分化细胞用方形表示。组织干细胞和多能干细胞用圆形表示，分化细胞用方形表示。 第二节 干细胞分离鉴定与培养 功能上，ES细胞具有发育的全能性，即具有分化为成年动物体内任何一种细胞类型的能力；形态上表现为体积小、核大，核仁突出，培养时呈克隆状生长。一、干细胞的生物学特征 胚胎干细胞表达特征性的基因产物和表面胚胎干细胞表达特征性的基因产物和表面标记分子标记分子特征性基因产物SSEA-3，SSEA-4TRA-1-60，TRA-1-81Stage specific embryonic antigen阶段特异性胚胎抗原Tumor recognition antigen肿瘤识别抗原/硫酸角质素相关抗原CD90，CD133，CD117cluster of differentiation分化抗原碱性磷酸酶端粒酶等特征性基因产物转录因子 如Oct3/4，Nanog，Sox2 等维系胚胎干细胞多向分化和自我更新整合素、连接蛋白如整合素61，连接蛋白43等有助于干细胞定位于细胞外基质中造血干细胞间充质干细胞皮肤干细胞肝干细胞神经干细胞小肠干细胞生殖干细胞二、人胚胎干细胞分离培养ICMPGCs饲养层细胞在饲养层上能维持未分化状态并实现自我更新分化抑制因子白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor, LIF)(一)选择抑制细胞分化的培养体系饲养层培养体系条件培养体系培养液中添加分化抑制因子体系胚胎干细胞分离培养的基本程序胚胎干细胞分离培养的基本程序（二）早期胚胎的选择（三）胚胎干细胞的分离（四）胚胎干细胞的保持（五）胚胎干细胞的鉴定（六）胚胎干细胞的分化潜力验证第三节第三节 干细胞干细胞“干性干性”的调控机制的调控机制 干细胞的独特增殖方式表观遗传修饰参与调控干细胞的正常分化与发育 组蛋白共价修饰 DNA甲基化miRNA的作用的作用 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“干性” 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 三、细胞外信号分子通过胞内重要的信号途径参与调控干细胞的自我更新与分化潜能小鼠ES细胞“干性”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的重要基因的功能。 TGF-/BMP和和Wnt/catenin信号途径信号途径干细胞“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。 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。 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-cadherin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。（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 骨髓干细胞微环境 （二） 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。 干细胞微环境共同结构干细胞微环境由定位于组织内的一群特殊细胞和细胞外支持结构组成；一些重要的信号分子定位于微环境中，干细胞微环境能够产生多种外源信号分子一旦细胞分化启动，一部分子代细胞可以作为干细胞储备，另一部分则离开微环境终末分化外胚外胚层层中胚中胚层层内胚内胚层层呼吸系统呼吸系统上皮上皮消化道消化道上皮上皮胰胰肝肝腺腺甲状甲状腺腺甲状甲状旁腺旁腺软软骨骨骨骨肌肌肉肉血血液液髓样组髓样组织织淋巴淋巴组织组织泌尿泌尿生殖生殖系统系统疏松疏松结缔结缔组织组织致密致密结缔结缔组织组织毛、毛、齿齿表表皮皮脑脑神经神经管管腺腺脊脊髓髓甲、甲、爪爪