医学细胞生物学：第十二章细胞与个体发育

1、第十二章 细胞与个体发育 第二节 干细胞 第二节 干细胞 干细胞（干细胞（stem cellstem cell）：）：一类具有自我复制和多向一类具有自我复制和多向 分化潜能的细胞，是各种分化细胞或特化细胞的初分化潜能的细胞，是各种分化细胞或特化细胞的初 始来源。始来源。 胚胎干细胞（胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES cell）：出现于早：出现于早 期胚胎的干细胞，多数来自囊胚（胚泡）的内细胞团。期胚胎的干细胞，多数来自囊胚（胚泡）的内细胞团。 成体干细胞（成体干细胞（adult stem cell）：具组织特异性的干细胞，：具组织特异性的干细胞， 如造血干细胞、神经干细

2、胞、胰腺干细胞等。如造血干细胞、神经干细胞、胰腺干细胞等。 对称分裂（对称分裂（symmetry division）：产生两个同型：产生两个同型 的细胞，均为干细胞或分化细胞。的细胞，均为干细胞或分化细胞。 不对称分裂（不对称分裂（asymmetry division）：产生两个：产生两个 异型的细胞，一个是干细胞，另一个是分化细胞。异型的细胞，一个是干细胞，另一个是分化细胞。 一、干细胞的基本特征一、干细胞的基本特征 （一）干细胞的自我复制（一）干细胞的自我复制 对称分裂对称分裂不对称分裂不对称分裂 机体对干细胞增殖的调节具有一定灵活性，以适应生理变机体对干细胞增殖的调节具有一定灵活性，以适

3、应生理变 化需要，维持干细胞与分化细胞数量上的平衡。化需要，维持干细胞与分化细胞数量上的平衡。 通常认为，在正常状况下，干细胞多以不对称方式分裂。通常认为，在正常状况下，干细胞多以不对称方式分裂。 （二）干细胞的分化（二）干细胞的分化 全能干细胞全能干细胞 （totipotent cell） 多能干细胞多能干细胞 （pluripotent cell） 专能干细胞专能干细胞 （unipotent cell） 受精卵受精卵 八细胞期八细胞期 胚泡内细胞团的胚泡内细胞团的 ES细胞细胞 成体干细胞成体干细胞 （三）干细胞增殖分化的调控机制（三）干细胞增殖分化的调控机制 微区（微区（niche）：干细

4、胞所处的微环境，包括周围：干细胞所处的微环境，包括周围 细胞、胞外基质及可溶性信号转导分子等。细胞、胞外基质及可溶性信号转导分子等。 1. 胞内因素的调控胞内因素的调控 2. 胞外因素的调控胞外因素的调控 Oct-4 Nanog 端粒酶端粒酶 黏附分子、多种分泌因子及周围细胞的直接参与。黏附分子、多种分泌因子及周围细胞的直接参与。 二、胚胎干细胞二、胚胎干细胞 ES 细胞胚胎干细胞（细胞胚胎干细胞（embryonic stem cell） EG 细胞胚胎生殖细胞（细胞胚胎生殖细胞（embryonic germ cell），），胚胎生殖嵴中的原始生殖细胞。胚胎生殖嵴中的原始生殖细胞。 EC 细胞

5、畸胎癌细胞（细胞畸胎癌细胞（embryonal carcinoma cell），），兼具多分化潜能与肿瘤细胞特性。兼具多分化潜能与肿瘤细胞特性。 （一）（一）ES 细胞细胞 内细胞团（内细胞团（inner cell mass） 1. ES 细胞的生物学特性细胞的生物学特性 来源于胚泡的内细胞团；来源于胚泡的内细胞团； 在不分化条件下能无限自我复制；在不分化条件下能无限自我复制； 能保持稳定的二倍体正常核型；能保持稳定的二倍体正常核型； 能分化为包括内、中、外胚层的所有细胞类型；能分化为包括内、中、外胚层的所有细胞类型； 当被注入发育状态的囊胚中，可整合至任一组织。当被注入发育状态的囊胚中，可整

6、合至任一组织。 （1）嵌合体实验）嵌合体实验 ES 细胞与另一胚泡的细胞与另一胚泡的ICM细胞黏附在一起被移植入细胞黏附在一起被移植入 母体子宫内，可被调整并参与原先胚胎的正常发育，最终母体子宫内，可被调整并参与原先胚胎的正常发育，最终 成为组织结构正常的嵌合体（成为组织结构正常的嵌合体（chimera）个体。）个体。 2. ES 细胞分化潜能的评价细胞分化潜能的评价 （2）畸胎瘤实验）畸胎瘤实验 将将ES 细胞异位移植至皮下，由于无滋养层细胞的调细胞异位移植至皮下，由于无滋养层细胞的调 控，其发育表现为无序的细胞分化，成为畸胎瘤。内部含控，其发育表现为无序的细胞分化，成为畸胎瘤。内部含 神经

7、管、腺管、上皮组织、软骨、肌肉和毛发等多胚层来神经管、腺管、上皮组织、软骨、肌肉和毛发等多胚层来 源的多种类型的分化细胞。源的多种类型的分化细胞。 此法亦可证明此法亦可证明ES 细胞的多潜能分化特征。细胞的多潜能分化特征。 （3）类胚体实验）类胚体实验 ES 细胞在无饲养层与分化抑制因子条件下培养时，细胞在无饲养层与分化抑制因子条件下培养时， 形成类胚体（形成类胚体（embryoid body, EB）。其中间细胞团保持）。其中间细胞团保持 干细胞生长特点，周边细胞逐渐分化为不同类型的细胞。干细胞生长特点，周边细胞逐渐分化为不同类型的细胞。 改变细胞生长条件，如添加各种生长因子、改变其黏附状改

8、变细胞生长条件，如添加各种生长因子、改变其黏附状 态诱导细胞间相互作用等；态诱导细胞间相互作用等； 导入特定的分化相关基因，诱导细胞产生定向分化；导入特定的分化相关基因，诱导细胞产生定向分化； 可分化为脂肪细胞、星形胶质细胞、心肌细胞、软骨细胞、可分化为脂肪细胞、星形胶质细胞、心肌细胞、软骨细胞、 造血细胞、树突样细胞、内皮细胞、胰岛细胞等。造血细胞、树突样细胞、内皮细胞、胰岛细胞等。 目前面临的主要困难：定向分化。目前面临的主要困难：定向分化。 3. ES 细胞的体外分化细胞的体外分化 3. ES 细胞的应用潜能细胞的应用潜能 （1）移植治疗）移植治疗 如帕金森综合症、糖尿病、创伤性脊髓损伤

9、等病症，如帕金森综合症、糖尿病、创伤性脊髓损伤等病症， 均有望通过诱导均有望通过诱导ES 细胞定向分化为相应细胞类型再移植细胞定向分化为相应细胞类型再移植 入病人体内治疗。入病人体内治疗。 （2）其他应用）其他应用 l 用于研究胚胎发育过程中的相应机制；用于研究胚胎发育过程中的相应机制； l 模拟组织和细胞的体内效应，以筛选药物或测试药物毒性；模拟组织和细胞的体内效应，以筛选药物或测试药物毒性； l 对对ES 细胞进行基因操作后再用于治疗。细胞进行基因操作后再用于治疗。 来自胚胎生殖嵴中的原始生殖细胞；来自胚胎生殖嵴中的原始生殖细胞； 与与ES 细胞具类似特性，如具有多分化潜能、特细胞具类似特

10、性，如具有多分化潜能、特 殊干细胞标记等；殊干细胞标记等； 增殖能力稍弱，不能无限制生长；增殖能力稍弱，不能无限制生长； 不能产生畸胎瘤。不能产生畸胎瘤。 （二）（二）EG 细胞细胞 成体干细胞存在于多种组织与器官，包括骨髓、外周血、成体干细胞存在于多种组织与器官，包括骨髓、外周血、 脑、脊髓、牙髓、血管、骨骼肌、表皮、消化管、角膜、脑、脊髓、牙髓、血管、骨骼肌、表皮、消化管、角膜、 视网膜、肝脏、胰腺等。视网膜、肝脏、胰腺等。 两个基本特征：自我复制两个基本特征：自我复制 能够分化为具有特殊功能的成熟细胞。能够分化为具有特殊功能的成熟细胞。 数目稀少。数目稀少。 在相应诱导条件下，成体干细胞

11、可跨组织甚至跨胚层分化在相应诱导条件下，成体干细胞可跨组织甚至跨胚层分化 - 可塑性（可塑性（plasticity）。 三、成体干细胞三、成体干细胞 1. 造血干细胞造血干细胞 （hematopoietic stem cell, HSC） 表面标记表面标记：CD34+/ Thyl+/ lin- 来源来源: 骨髓移植骨髓移植 外周血（从中筛选出外周血（从中筛选出CD34+白白 细胞，含细胞，含5-20%的造血干细胞）的造血干细胞） 脐带血脐带血 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1990 E. Donnall Thomas 存在于脑组织。存在于脑

12、组织。 可分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞可分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞 等。等。 特征标记：特征标记：巢蛋白巢蛋白nestin（属中间丝骨架蛋白）（属中间丝骨架蛋白） 胶质纤维酸性蛋白胶质纤维酸性蛋白GFAP 等等 目前仍缺乏被普遍接受的单一特异性标记目前仍缺乏被普遍接受的单一特异性标记 。 2. 神经干细胞神经干细胞 来源于结缔组织。来源于结缔组织。 能在体外增殖，也可在不同条件下分化为多种间能在体外增殖，也可在不同条件下分化为多种间 充细胞，如脂肪细胞、上皮细胞、肝细胞等。充细胞，如脂肪细胞、上皮细胞、肝细胞等。 含有多种含有多种特异性表面抗原特异性表面抗原：CD71CD71、CD44CD44、CD90CD90、 CD117CD117、CD147CD147等等，不含造血干细胞表面抗原，