第十六章 干细胞与组织的 维持和再生,（stem cell and tissue regeneration）,概述 第一节 干细胞基础生物学 第二节 胚胎干细胞和组织干细胞 第三节 干细胞“干性”的调节机制 第四节 干细胞与疾病的关系 第五节 细胞重编程及诱导多能干细胞,内容,概 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,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,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的未分化或低分化细胞,第一节 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（asymmetric division）。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（TA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 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,根据细胞分化潜能不同，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）胚胎干细胞表达特征性的基因产物和表面标记分子,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,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,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,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。,（一） 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,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） 胚胎期胚层细胞分化以后形成组织干细胞的前体细胞,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，AGM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微环境中分离，它们即丧失了自我更新的能力。,（一） 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-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。,（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） 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,（一） 干细胞为器官移植和组织工程提供了重要的细胞来源 （二） 有望确定疾病病因并对疾病的治疗提供新的手段 （四） 有助于筛选新药及建立新的模型系统,第二节 胚胎干细胞、组织干细胞和 生殖干细胞,一、 胚胎干细胞具有“无限”的增殖能力和多向分化潜能,（一） 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,（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,二、组织干细胞的分化受到精密而复杂的调控,（一）造血干细胞启动造血并分化形成所有谱系血液细胞,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, Flt3, CD150等。,（二）间充质干细胞主要栖息于骨髓，能分化形成中胚层细胞,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-1,2. 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,皮肤干细胞,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（transferrin receptor） 角蛋白（Keratin，CK） c-Myc和p63,2. 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） 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。,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） 其他干细胞的自我更新与分化同样受到精密 调控,1. 神经干细胞的发现及意义,1992年Brent A. Reynolds和Samuel 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、生殖干细胞维持了生物种代间的延续性,胚胎来源的胚胎生殖细胞,成体组织来源的生殖干细胞,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,