超全干细胞重点知识总结

1、第九章 干细胞第一节 干细胞概述一、干细胞 ( stem cells)与个体发育正常生物个体发育的过程是按严格的时空程序进行的一系列细胞分裂、分化和细胞凋亡相互协调 作用的结果。从一个受精卵、全能胚胎干细胞或组织谱系干细胞最终分化为具有独特功能体细胞所组成的组织 器官 ,这是一个彼此协调而又制约的复杂过程, 这一过程通常被称为发育的遗传程序 (geneticprogram) , 被记录在细胞基因组的结构中。 不同物种有不同的遗传程序 ,这可能是物种在长期进化过 程中逐渐形成的。在哺乳动物个体发育的不同阶段 ,包括胚胎、 幼年和成年个体的各个发育时期 ,都存在着发育潜能参 差不同的干细胞。 干细

2、胞最终演变为独特结构和功能的体细胞或成熟生殖细胞,这过程即是所谓 细胞分化 。从分子水平而言 ,可以认为细胞分化是部分基因选择性地被激活或差异性表达 ,从而控制 专一性蛋白质的合成和排布的结果。 对正常细胞分化来说 ,最重要的是多个基因表达过程在数量和 时空上的精确联系和密切配合 ,并受不同层次的基因调控网络系统精确无误地调节和控制。 干细胞 在胚胎和成体组织内部的活动 ,包括干细胞基本特性的分子机制和调节控制、胚胎细胞的迁移活 动、时空程序与相邻胚胎细胞的相互作用,对细胞增殖和分化的关系等 ,虽已有所了解 ,但由于技术上的原因 ,直接证据还很少 ,因此 ,干细胞增殖和分化问题仍是今天发育生物

3、学研究的主题内容之一.二、干细胞的定义和分类因干细胞是指一类具有 自我更新和产生分化后代 这两种基本特性的细胞。 一个充满生命力的雌雄两性机体都是由两类不同的组织和器官构成的。一类是全部由体细胞组成 的 ,另一类是以生殖细胞为主的 ,也包括一些由体细胞组成的组织和器官构成的。 前者是执行机体生 命活动各种生理功能的 ;后者一切都为了保证生殖系统的卵巢和辜丸中的卵子和精子的发育和成 熟并延续生命的。 对人类来讲 ,从一个受精卵的单细胞要产生 200 多种不同类别的细胞来构成各种 组织和器官 ,必然要靠全能性的早期胚胎干细胞通过自我更新和产生分化后代来实现的。自我更新 是指干细胞可进行均等分裂 ,

4、产生两个遗传特性上完全一样的干细胞,均等分裂是大多数细胞的特性 ,而产生分化后代 指的是干细胞还可进行不均等分裂,产生的两个子代细胞中一个仍是干细胞 ,而另一个是遗传特性有所不同的 ,要开始走上分化道路的定向祖细胞。早期胚胎细胞是全能的 ,它既可产生体细胞 ,又能产生生殖细胞 ,这包括从早期的卵裂球和囊胚期的 ICM 细胞以及后来胚胎的 3 个胚层已分化后的生殖嵴区的原始生殖细胞;而分化的后代细胞可从包括全能细胞向多能细胞和细胞谱系的各级祖细胞发展,这些细胞仍旧可通过均等和不均等两种分裂方式进行繁殖 ,一直到最后的终未分化体细胞。干细胞可分为两类 : 一类干细胞包括从早期囊胚 ICM (inn

5、er cell mass)细胞分离并在体外培养和建 系的 胚胎干细胞 (embryonic stem cells, 简称 ES 细胞 )和从胚胎生殖嵴 原始生殖细胞 (primordial germ cells, PGC) 分离建系的 胚胎生殖细胞 (embryonic germ cells, 简称 EG 细胞 ) ; 另一类是先在成年组织 和器官 ,以后在胎儿组织被证明其存在 ,随后个别也在体外培养和建系成功的干细胞, 称为 组织干细胞( tissue stem cells) ,又称成体干细胞 (adult stem cells) 。三、胚胎干细胞研究简史哺乳动物早期胚胎体积小 ,又在母体子

6、宫内发育 ,因此 ,要在体内对各类干细胞的分化及其机制进行 实验研究几乎不可能。 从 20 世纪 50 年代开始 ,人们一直在致力于寻找一个既能在体外增殖,又具有胚胎细胞全能性 (totipotency) 或多能性 的 (pluripotency) 并通过适当条件能被诱导分化为各种类型分 化细胞的实验模型。 20世纪 50年代末美国发育生物学家 Stevens (1967)将着床前发育阶段的小鼠 胚胎(包括受精卵 ) 或 12 天胚龄的胚胎生殖嵴异位移植到同系成年小鼠辜丸或肾脏被膜下,移植后7 天 ,发现有 80%接种灶出现并发展为畸胎瘤。从中分离、培养和建立了胚胎性癌细胞 (embryona

7、lcarcinoma cell, EC)系 ,揭开了胚胎性干细胞早期研究的序幕。EC 细胞既具有恶性生长又具有早期胚胎细胞发育多潜能性的双重性质。 在 20 世纪 70 年代 , EC 细胞常用作研究哺乳动物发育遗传以 及细胞分化的实验模型 ,并取得了一些重要结果。 后因 EC 细胞核型异常 ,分化细胞类型有限等缺点 而不再被使用。20 世纪 80 年代初 ,英国 Evans 和 Kaufman 以及美国 Martin 2 家实验室独立地从小鼠囊胚成功地建 立了能在体外不断增殖 ,并维持不分化状态的多潜能胚胎干 (ES)细胞系 ,开创了 ES 细胞生物学研究 的新时代。但此后 ES细胞在其他动

8、物上的分离和建系却颇受挫折,直到 20世纪 80 年代后期才有所突破 ,见表 19.1。 20 世纪 90 年代初 ,美国 Matsui 等从小鼠 9 天胚胎生殖嵴建立了多潜能的胚胎 生殖细胞系 ,同一时期 ,少数其他动物也相继建立了ES 或 EG 细胞系。 1998 年美国威斯康星大学Thomson 等人利用 36 枚新鲜或冻存的人工体外受精胚胎 ,获得人 ICM 细胞 ,经体外培养后 ,首次成 功地建立了 5 株人类 ES 细胞系 ,同年 , John Hopkins 医学院 Shamblott 等人从 5 -9 周人流胚胎的生 殖嵴和肠系膜首次培养出人 EG 细胞系。第二节 胚胎干细胞胚

9、胎干细胞又称 ES 细胞主要是指从早期胚胎的卵裂球、囊胚ICM 细胞分离培养和建系的细胞。而从胚胎生殖嵴中 PGC分离培养建成的称胚胎生殖细胞简称 EG细胞。这 2类干细胞统称为胚胎 性干细胞 ,其最基本的重要特性是具有稳定地在体外自我更新并保持不分化和发育的多能性,即可以在体外分化为属于 3 个胚层的各种细胞。、ES和 EG细胞培养、建系技术体外培养建系 ES 和 EG 细胞的技术以小鼠的最为成熟 ,成功率最高 ,其基本原则是有赖于 获得全能 性胚胎细胞或细胞团并建立体外适合其增殖和抑制分化的培养系统 。由于早期胚胎细胞离体后极 易发生分化 ,首先要解决阻止其分化、 确保维持其全能性或多能性

10、这一关键问题。 目前常用的细胞 分化抑制物主要有 3 种:饲养层细胞 ( feeder layer cells) 、特殊细胞的条件培液 (conditioned medium) , 如 BRL (Buffalo rat liver) 细胞条件培液 , 分化抑制因子 (differentiation inhibitory factor, DIF) , 如白血 病抑制因子 (leukemia inhibitory factor, LIF) 。此外 ,也有添加通过 gp130 信号转导途径的细胞因子 , 例如 , 白介素 6 (lL 一 6)、 Oncostatin M 和睫状神经营养因子 (cil

11、iary neurotrophic factor, CNTF) 等同 样可达到维持小鼠 ES细胞的不分化状态。 因此,体外培养 ES和 EG细胞可划分为两大类 :饲养层 培养法和无饲养层培养法。(一) 饲养层细胞培养法不论 ES 细胞或 EG 细胞 ,原代或初期培养阶段一般都需依赖于能分泌使它们在体外存活和增殖所 必需生长因子的饲养层细胞。不同类型的饲养层细胞分泌的生长因子略有不同。 但都要求在 ES或 EG细胞培养过程中的饲养层 细胞保持不分裂增殖 ,而仍然保持细胞的代谢活性。常用的饲养层细胞有下列两种:一种是取自各种品系小鼠交配后 12 dpc (days post coitum ) 的胚

12、胎成纤维细胞 (embryonic fibroblast, MEF) 。经丝 裂霉素 C (mitomycin C) 处理以终止细胞分裂后 ,用作 ES细胞培养的饲养层。 另一种是来自 SIM 小 鼠 (S)胚胎的对硫代鸟嘌岭 (thioguanine, T)和乌本苷 (ouabain, O )有抗性的成纤维 STO细胞系 ,主要 分泌干细胞生长因子 (stem cell factor, SCF)和白血病抑制因子 (LIF) 。此外,SL - M220 细胞是小鼠胚 胎造血的基质细胞 SI/SI4 经基因改造产生专一性跨膜型 SCF 的细胞系 ,以它作为饲养层更有利于 促进 EG细胞生长。用作

13、 ES细胞或 EG细胞培养的饲养层的 MEF 或 STO细胞均需用 10 mg/L 丝 裂霉素 C在 370C灭活,用前经 PBS 彻底洗涤。(二) 无饲养层培养法 饲养层细胞的制备在一定程度上使 ES和 EG 细胞培养过程显得较为繁杂。 近来以添加某些特定细 胞的条件培养液和 LIF 生长因子至含胎牛血清 (FCS)的正常培养液 ,借此替代饲养层细胞。有 3 种 条件培养液可用于小鼠 ES细胞培养 :直接在 ES 细胞基础培养液中加入重组生长因子和 LIF 等。 Buffalo 大鼠肝细胞条件培养液 (BRL-CM) 。 2 -3 周龄幼年大鼠心肌细胞条件培养液 (RH - CM) 。一般以

14、 2 -3份上述细胞条件培养液加 1 - 2 份新鲜的 ES细胞培养液 ,再添加 10% - 20%胎牛 血清 ,共同组合成无饲养层的 ES 细胞培养系统。 但往往在胚胎干细胞原代和建系初期缺乏饲养层 时,用这种条件培养液培养 ES 和 EG 细胞成功率不高 ,因此 ,正确使用饲养层细胞和条件培养液在 ES/EG 细胞建系初期仍是成功的一个关键因素。(三) ES和 EC 细胞的体外培养1. ES 细胞不同动物 ,甚至同种不同品系动物的胚胎发育速度和方式存在着较大差异,例如 ,猪 ICM 细胞生长与小鼠的不一样 ,其生长速率很慢 ,且有一个休眠 (quiescent)时期。因此 ,ES 细胞培养

15、建系需根据各个 物种而选择不同发育阶段的早期胚胎。 例如,一般小鼠多选用 3 -4 d 的囊胚或 2 - 3 d的桑椹胚 ,猪取 8 - 10 d 的囊胚 , 绵羊取 8 -9 d 的囊胚 ,人和牛取 7 -8 d 的囊胚。同时 ,经体外受精的胚胎或由核移植 获得的重构胚胎在体外培养至所需适当的发育阶段也是选取 ES 细胞培养的有效材料来源。基本培养液为含 15% - 20% FCS 、0.1 mmol/L -疏基乙醇和 50IV/mL 青霉素、 50g/mL 链霉素的 DMEM 液 .将桑椹胚或囊胚接种于预先铺有作为饲养层而无有丝分裂活性的单层MEF 细胞的 35mm 培养皿中。培养 2 -

16、3 天后按下列两种方法之一分离出 ICM 细胞进一步培养 : 方法一： 免疫手术法 (immunosurgery) 。由于 4 - 4.5 dpc 的小鼠囊胚主要由己分化的滋养外胚层 (trophectoderm) 和未分化的 ICM 细胞组成 ,前者细胞表面一般已表达主要组织相容性复合体(majorhistocompatibility complex, MHC) , 能识别其相应抗体和形成免疫复合物 , 在补体存在时可导致细胞 发生免疫溶解。 囊胚去除透明带 ,直接暴露于稀释的兔抗 JCR小鼠脾细胞抗血清 (抗 H - 2b) 。再移 到新鲜豚鼠血清中 , 囊胚的滋养外胚层细胞呈泡状 ,发生

17、免疫溶解 ;而 ICM 细胞不具 H -2b 抗原 ,不 发生免疫溶解 ,故细胞完整元损。 ICM 细胞经 Hank's 液洗涤后 ,移至 96 孔铺有 MEF 或 STO 饲养层 细胞和 DMEM 基本培液的板内进一步培养。方法二 :常规培养 。桑椹胚或囊胚在铺有 MEF 饲养层的 DMEM 基本培养液中 ,未去透明带的桑椹 胚或囊胚培养 3 -4 d,ICM 细胞团从贴壁的囊胚内长出来。 吸出 ICM 细胞团 ,用 0.25% (m/V) 膜蛋白 酶(trypsin)和 0.2 mmol/L EDTA 混合消化液在 370C消化 5 min.部分解离的细胞团移至铺有 MEF 饲 养

18、层的 24 孔培养板 , ICM 细胞首先出现贴壁生长 ,继续培养 4 d,可在一些孔内见到巢状集落生长的 ES细胞团。用胰蛋白酶消化巢状 ES细胞团 ,并继续培养 ,一般 4 -5 d间隔用胰蛋白酶消化 ,克隆和 纯化 ES细胞,视 ES细胞密度逐渐转移到较大容积的培养皿或培养瓶。ES 细胞在培养过程中 ,有时在巢状干细胞团周边出现少量分化细胞,这时除了需继续维持饲养层细胞外 ,在培液中再添加适量的 LIF 生长因子 ,可克服细胞进一步分化的现象。 但有的物种例如猪 ICM 细胞对 LIF 并不敏感 ,难以抑制其在体外分化 ,巢状集落形成率很低 , LIF 不适用。 ES细胞常用培养 基的添

19、加物除胎牛和小牛血清外 ,主要有多种生长因子 ,例如表皮生长因子 (ECF) , 可促进细胞 DNA 合成和 mRNA 转录,使细胞周期的 S期提前 ,周期缩短 ;胰岛素样生长因子 ( ICF)对ICM 细胞有促进 增殖作用 ; 干细胞生长因子 ( SCF)对干细胞有调控和促分裂作用 ,同时可抑制细胞凋亡。此外 ,在培 液中还需添加还原剂 -巯基乙醇 ,可使血清中的含硫化合物还原成谷胱甘肽,以消除 ES 细胞培养过程中产生的毒性过氧化物 ,同时 , -巯基乙醇有诱导细胞增殖和促进胚胎细胞贴壁作用。近来注 意到血清可抑制一些种类 ES 细胞形成克隆。因此 ,根据不同物种 ICM 细胞在体外生长状

20、况 ,需要 对基本培养液中的各种添加物作适当调整。2. EG 细胞哺乳动物 PGC 细胞最早发生于近尿囊基部的卵黄内胚层内 ,随着胚胎发育和纵向转折 ,卵黄囊的一 部分成为胚胎的后肠 ,PGC细胞也随此经背侧系膜向生殖嵴移动。 因此, PGC 取材主要根据其在不 同物种的早期胚胎中所处迁移位置而定。小鼠 EG 细胞建系基本过程如下：收集 8. 5 - 10. 5 dpc 小鼠胚胎 ,在解剖镜下用镊子剖取包含原始 生殖细胞 (PGC)的生殖嵴组织，以 0.02% EDTA 液孵育含 PGC细胞的生殖嵴组织 , 37 0C , 15 min。 吸管轻吹打散 ,接种于铺有 MEF 或 STO 饲养层

21、细胞的 4 孔培养板内。 接种细胞首先出现贴壁生长 , 每天或隔天更换培养液。生殖嵴组织培养物在饲养层细胞上分裂增殖 ,4 - 6 d 后在显微镜下将包含 原始生殖细胞的细胞团用胰蛋白酶消化并转移至新的饲养层细胞上,继续培养增殖。 重复用胰蛋白酶消化并移至新的饲养层细胞 ,经过同上 2 -3次过程 ,一般可产生巢状 (nests)生长的干细胞集落。 最 后将它转移到铺有饲养层细胞的培养瓶内进一步扩增。 EG 细胞的饲养层常用 STO 细胞 ,培养液 基本同 ES细胞 ,但除 LIF 外还要添加干细胞因子 (SCF)和碱性成纤维细胞生长因子 (bFGF)。 二、ES和 EG 细胞系基本特性(一)

22、 体外能无限增殖建系后的 ES 细胞在体外培养不仅能存活 ,还能无限增殖 ,这是干细胞自我更新基本特性在体外培养 中的延续。假使在培养条件合适时 ,ES 细胞可以在体外无限增殖。但实际上 ,传代次数愈多 ,ES 细 胞会像常规细胞一样 ,出现核型不正常的情况 ,并失去了 ES 细胞原有的一些重要特性。 129 品系小 鼠的 ICM 细胞是非常容易建立的 ES 细胞系 ,而其他品系的小鼠就不那么容易了 ,说明遗传因素是 制约 ES细胞建系成功与否的一个条件。 ES 细胞和 EG细胞来自不同的发育阶段 ,在遗传上是有区 别的,如 EG细胞的胰岛素样生长因子受体基因甲基化印记修饰等,这在人和其他大动

23、物可能一样。猪 EG 细胞我们已建系成功 ,但猪 ES 细胞只能在体外短期存活 ,还未能建系。 关键可能还是培养系 统不合适。表明同一品系的 ES和 EG细胞的培养建系条件也并不相同。(二) 体外产生分化细胞ES 细胞的这个重要特性同样是干细胞产生分化后代这个基本特性在体外培养中的延续。由于早期胚胎细胞离体后极易发生分化 ,因此,ES 和 EG 细胞体外培养的首要条件是建立适合其增殖、抑制 其分化、确保维持其多能性的培养体系。 ICM 细胞一般接种于铺有灭活的小鼠 MEF 细胞作为饲 养层的琼脂平板上 ,加有含抑制分化的 LIF 的培养液 ,或再添加适当的分化诱导物质 (如维甲酸等 ) , 或

24、通过悬滴培养成拟胚体 (embryoid bodies, EB) 等特定的条件下 ,都极易分化产生包括 3 个胚层的 各种类型的分化细胞 ,常见的是几种类型细胞混杂在一起 ,单一类型的细胞要靠定向诱导分化。EG细胞的分化细胞也属于 3 个胚层的 ,但工作和分化细胞种类的报道都比较少见。从 1981-2003 这 20 余年中 ,这 2 类胚胎干细胞所分化的细胞都是体细胞, 未见有分化为生殖细胞的报道。这样人们就自然形成了胚胎干细胞是" 多能性 " (pluripotency) 的概念。 2003-20XX 年国外发表了几篇文章 ,证明体外培养的 ES 细胞能产生雌、雄两性的

25、生殖细胞 ,过去要证明体外培养的 ES 和 EG 细胞是否具有发育全能性 ,要靠把带有各种标记的干细胞注射至囊胚,再通过种系传递实验先寻找干细胞嵌合到卵巢或辜丸的动物,再通过育种寻找干细胞参与卵子或精子的动物,并作纯系繁育 ,对大动物来说 ,这种嵌合体实验要花大量人力、 物力和二三年时间才能完成。 现在能在体外用 实验证明培养的 ES 细胞具有发育为精子和卵子的能力 ,实现了体外培养的 ES 细胞也能表达 "全能 性 " (totipotency) 概念 ,这不能不说是 ES 细胞体外定向诱导分化的一个重大突破。目前个别实验室 已先后得到相同的结论 ,今后若能有更多类似工作

26、的重复和考验,必将使干细胞研究推向新阶段。(三) 体内产生畸胎瘤ES和EG细胞若接种于免疫缺损小鼠 (裸鼠或 SCID小鼠 )腋窝下 ,或接种于同种同基因小鼠的皮下、 眼窝和器官包膜下 ,均可形成由内胚层、 中胚层和外胚层多种类型细胞构成的畸胎瘤。 后者通过组 织学检查 , 可以用作分析和鉴定 ES 或 EG 细胞的发育多潜能性 ,判断所产生分化细胞种类的多寡。（四）巢状生长有多能胚胎干细胞分子标记ES和 EG 细胞在体外彼此呈现单层或多层紧密堆积,而形成岛状或巢状集落群体的生长形态。 将这种岛状或巢状群体细胞的克隆挑出 ,用胰蛋白酶轻度消化后接种于新的饲养层或特定的条件培养 液中,继续培养

27、3 -4 天后,分散的 ES细胞或 EG 细胞又重新长出彼此紧密接触的岛状或巢状群体细 胞克隆。根据经验 ,用 dispase酶代替胰蛋白酶消化可使 EG 细胞少受损伤 ,集落形成率较高。因此 , 呈巢状集落生长是 ES和 EG 细胞最具特征性的生长方式。 但是,不同动物 ES和 EG 细胞巢状集落 是有所不同的。 例如,猪 EG细胞也有自身的形态学特性 ,猪 EG 细胞集落常是圆的 ,比小鼠 ES和 EG 细胞集落较扁平和较不透明。在扫描电镜中,猪 EG 细胞彼此比小鼠的更具有粘附性 ,难以解离 ,再培养的种植率也比大多数小鼠 ES和 EG细胞的低得多。 小鼠、猪和包括人类在内的灵长类动物的

28、ES 和 EG 细胞都具有特征性的多能胚胎干细胞的分子标记 , 主要的分子标记列于表 19.2.除牛的 ES 细胞不表达碱性磷酸酶 （AKP） 活性外 ,其他动物和人的 ES 或 EG 细胞都表达 AKP 的活 性。分化的 ES 或 EG 细胞都不表达 AKP 。因此 ,AKP 活性可作为 ES或 EG 细胞是否分化的重要 标记之一。胚胎发育阶段特异性抗原 （stage specific embryonic antigen, SSEA ）是早期胚胎细胞表面 的一类糖蛋白 ,不同种类的 SSE A 因糖基化不同而区分为 SSE A -1、SSEA -3 和 SSE A -4不同的表 位分子。未分

29、化的早期胚胎细胞 SSEA 呈阳性 ,而分化的细胞为阴性。人和灵长类ES 细胞表达SSEA -3 和 SSEA -4,而 SSE A-1 仅在人 EG 细胞及刚开始分化的 ES细胞中表达。小鼠的 ES和 EG 细胞只表达 SSE A-1.肿瘤相关抗原 （tumor related antigen, TRA ）是一种对唾液酸酶敏感的细胞表面糖蛋白,生殖细胞肿瘤标记 （germ cell tumor marker, GCTM ）是另一类抗原决定簇不同于 TRA 的细胞表面糖蛋白。人及猴 的 ES 细胞 与 TRA -1 -60 、 TRA -1 - 80 和 GCTM -2 抗体均可起反应。人与猴

30、是近亲 ,因此 ,人与猴 的 ES细胞都表达 TRA 分子,而啮齿动物小鼠却缺 （见表 19.2） ,推测 TRA 可能是灵长类多能胚胎干 细胞特异性的分子标记。Oct -4 是生殖系专一性转录因子 ,在小鼠胚胎发育早期、生殖细胞谱系以及体外培养的多能胚胎干 细胞中特异地表达 ,被认为是全能和多能性的一种标志基因。小鼠、 猪和包括人类在内的灵长类动物的 ES和 EG 细胞都表达 Oct - 4（表 19.2） 。（五）染色体数目和核型正常 无论是小鼠或人的 ES 和 EG 细胞 ,经体外传代培养后 ,具有正常的染色体数目和二倍体核型 ,即使冻 存复苏后应仍然保持这种特性。这里,冻存与复苏的条件

31、是非常重要的 ,对不同的 ES 和 EG 细胞都应专门做实验寻找最合适的冻存和复苏的条件。 新建立的 ES 细胞系常有不正常的核型 ,因此,需对 新建系的 ES 细胞进行染色体数目和核型进行分析确认,特别是为遗传操作所用的 ES 细胞,染色体数目和核型必须正常。同时 ,与普通培养细胞一样 ,ES 和 EG 细胞经体外长期培养、冻存、复苏和 传代,染色体和核型也会发生变化。 因此,长期培养的 ES和 EG 细胞也应做染色体数目和核型检查。（六）遗传可操作性ES细胞遗传操作的可行性是由于 ES 细胞在体外可以不断地自我增殖 ,又是具有发育的全能或多能 性 , 并能通过构建嵌合体而产生有功能的生殖细

32、胞。这为通过基因工程途径改造物种提供了独特 的、无与伦比的受体细胞 ,小鼠的 ES 细胞的实践也证明了这一点。一般体细胞由于增殖能力差 , 基因修饰或改造的效率比 ES细胞的低得多。 ES细胞遗传操作主要有 2 类方法：一是通过同源重 组技术去剔除 ES细胞基因组的一个目的基因 ,所谓基因剔除 （knock out）途径 ,其二是转染一个外源 基因定点整合到 ES细胞基因组的正确位置 ,即所谓基因定点敲入 （knock in） 技术。常规基因随机整 合技术缺点很多 ,不仅易导致内源有利基因结构失活和破坏,或者激活有害基因 （如癌基因等 ）。而且导入的外源基因的表达水平也难以预测,导致可能产生异

33、常表型的转基因动物。总之ES 细胞的遗传可操作性已成为胚胎干细胞生物学的另一重要的特性。（七）形成嵌合体实现种系传递参与嵌合体实现种系传递是 ES 细胞生物学的又一重要概念。这在前面已有提及,只有通过形成嵌合体实现种系传递即要分析干细胞是否能参与形成生殖腺中卵子和精子才能鉴定体外培养建系的 ES 和 EG 细胞是否具有全能性。自从 20 世纪 80 年代初小鼠胚胎干细胞建系以来 ,这技术是一直 被沿用的 ,但小鼠 ES细胞的生殖细胞嵌合率要高于小鼠EG 细胞很多 ,其他动物的这类嵌合率与小鼠 ES 细胞相比较的材料也没有。对大多数动物而言从胚胎的 ICM 细胞和胚胎生殖嵴原始生殖细胞得到的体外

34、培养建系的 ES 和 EG 细胞都应具有上列 7点基本特性 ,这也是 ES 和 EG 细胞建系的鉴定指标。人 ES和 EG 细胞除 了第七点因伦理道德原因不能实施外基本上也具有上述基本性质。三、ES和 EG 细胞定向诱导分化(一) 基本原理 细胞诱导分化是一个细胞与其微环境相互间复杂而又精密协调的分子细胞学过程 。早在 20 世纪 六七十年代前 ,实验胚胎学家就发现蛙类早期原肠胚 (gastrula)的背唇 (dorsal lip) 的背方区域能够诱 导外胚层分化为神经管 ,而靠近腹侧面则诱导出尾部结构。 接着又发现胚胎发育中组织发生和身体 构造形成是一连串的诱导连锁过程 ,例如神经组织听囊形

35、成后 ,则诱导邻近的间质细胞形成软骨囊 ; 水晶体则剌激覆盖的外胚层诱导出角膜。在体胚胎的细胞分化过程中 , 诱导作用的结果不只是决定于各种诱导物质的性质和专一性,同时也决定于被诱导细胞的反应能力 ( competence) ,后者受遗传、发育潜能等内在因素的限制。诱导物质 的专一性和被诱导细胞的反应能力必须在时空上相互巧妙配合,才能保证被诱导细胞按预定的细胞类型方向分化。 ES 细胞是体外研究诱导分化的较理想的模型。 其在体外被诱导分化的途径可能 不一定与在体胚胎细胞的完全相同 ,但在实验操作时 ,也应同时考虑诱导物的性质和 ES 细胞本身所 具的反应能力这两个基本问题。在胚胎细胞被诱导分化

36、实验中 ,所用诱导物质种类繁多 ,诱导模式也不尽相同 ,难以归类论述。但按 作用机制大致可分为两类。一类是使被诱导细胞可逆性地轻度损伤:例如无机物、有机酸、醇、亚甲基盐、 硫氢化物、 氨水甚至蒸馏水或缺钙的盐水 ,都能使两栖类胚胎细胞渗透压改变致成轻度损 伤,导致神经细胞分化。 另一类诱导物 ,如类固醇激素、 维甲酸衍生物 (RA 等) ,多肽生长因子 (bFGF、 TGF、Activin) 等 ,则是通过其与被诱导细胞表面各自的受体结合而介导的细胞诱导分化。同一种诱导物可以诱导出不同类型细胞或变化多端的构造,问题较复杂 ,不仅涉及诱导剂的浓度差别、 诱导作用模式和微环境的未知因素等 , 而且

37、也可能与被诱导细胞本身的发育潜能和对诱导剂的反应性 等差别有关。ES和 EG 细胞定向诱导分化是当前 ES细胞生物学研究中的热点之一。(二) 定向诱导分化的类型 体外定向诱导分化可分为 谱系分化 (lineage differentiation) 和 定向分化 (committed differentiation) 两 种类型 ,第一种谱系分化包括 ES 细胞经谱系祖细胞 (lineage progenitors) 、谱系定型细胞 (lineage committed cell) 到终末分化细胞的整个细胞分化的全过程。在这过程中, 会出现一些不稳定的、过渡型的前体细胞。 研究和分析这种过渡型的

38、前体细胞 ,对认识组织谱系细胞的分子和细胞水平分化 机制和全过程是有帮助的。但因为细胞呈一过性或连续性,定性和判断的标准尚有待探索。同时,由于 ES 细胞也是一种具有不受约束的和无序的自我发育特性 , ES 细胞在体外被诱导时常同时出 现不同胚层类型的多种分化细胞 ,这也增加了识别谱系祖细胞和谱系定型细胞的困难性。谱系诱导分化的途径可用于细胞分化的基础研究，但有关报道并不多。第二种定向分化则要设法控制 ES 细胞导向产生单一类型的终末分化细胞 ,这是当今临床细胞移植或细胞治疗迫切需要的,也是至今报道较多的 ,但仍未完全解决的、探索中的难题。根据国外报道和我们的经验,对 ES 细胞转染细胞专一的

39、转录因子、 标志基因或有关细胞分化因子等遗传操作,并结合报道基因和添加特定细胞因子诱导条件选择等手段 ,可能是探索 ES 细胞定向诱导分化的一条有效途径。(三) ES细胞体外诱导分化的基本途径1.单层 ES 细胞培养和诱导分化 单层 ES细胞在撤除 LIF 并添加适当浓度的细胞分化诱导剂 ,如维甲酸 (retinoic acid, RA) , 二甲亚砜 ( DMSO) 和环六亚甲基双乙酰胶 (HMBA) 等并添加适当的生长因子条件下 ,每隔 2 天 ,更换含诱导剂 的新鲜培养液。细胞分化类型随诱导剂和生长因子性质及其浓度 ,细胞浓度 ,培养条件等因素 ,特别 是 ES 细胞本身的分化潜能和特性

40、而异。通常单层培养的 ES 细胞较难分化为单一类型的细胞 , 常 出现以某种类型分化细胞为优势的情况下,杂有一些其他类型的分化细胞。 因此 ,单层 ES 细胞培养途径的定向诱导分化已不多见。2. ES 细胞拟胚体形成和诱导分化 通过形成拟胚体方式是目前 ES 细胞定向诱导分化的最基本的常用途径。 有两类方法可使 ES 细胞 形成拟胚体。(1)软琼脂培养ES 细胞经胰蛋白酶消化 ,吹打成单个细胞 ,接种于预先以软琼脂铺底的培养皿内 ,ES 细胞呈悬浮生 长,增殖 ,彼此粘附聚集而形成拟胚体。(2)悬滴培养ES细胞经胰蛋白酶消化 ,制备成单个细胞悬浮液 ,滴种在直径为 10 cm 培养皿的盖子上

41、,制成许多悬 浮细胞小滴 ,培养皿内加入适量 PHS,然后小心盖上带有许多小滴的盖子 ,使盖子上的许多小滴倒置 成悬滴。培养皿边缘用 parafilm 封起来 ,避免小滴枯干 ,置 370C ,5% CO 2培养箱。培养 3天后,悬滴 中的 ES细胞聚集形成拟胚体。将拟胚体移至含细胞分化诱导剂(如 RA)的培养皿或微孔板进一步培养。然后移放人铺有0.1% 白明胶的培养皿或微孔板内 ,在含有或不含细胞分化诱导剂 ,并缺乏LIF 的培养液中进一步培养 ,可被诱导分化为不同类型的细胞 ,除了直接分化为终末分化细胞外 ,也 可能在适当的条件下 ,先分化为过渡型的前体细胞或组织谱系干细胞。悬滴培养法形成

42、的拟胚体的形状和大小较软琼脂层上的更为完整均一,重复性也很好。(四) ES细胞体外诱导分化的几种细胞 人类 ES/EG 细胞建系成功 ,各国科学家正借鉴小鼠 ES 细胞体外诱导分化的成功经验 ,致力于将人 ES 细胞改造成以临床基因、 细胞治疗和组织工程种子细胞为目的的各种定向诱导分化细胞研究。 有关体外诱导分化的报告仍以小鼠 ES 细胞为模型的居多 ,而且大多还是偏重于混合型分化细胞的 描述性资料。 目前至少有 20余种从 ES 细胞诱导分化而来的体细胞在多家实验室获得成功,特别是近年几篇有关 ES 细胞在体外可分化为生殖细胞的报道,从实验上证明了 ES 细胞的全能性的性质(表 19.3)

43、。ES 细胞研究中 ,造血细胞 (hematopoitic cell) 是报道最多的一种分化细胞类型。小鼠 ES 细胞拟胚体 在体外可分化为类似于早期胚胎卵黄囊血岛样的结构,分化产生红细胞、 髓细胞和淋巴细胞等各种造血系统的细胞。 一般常采用分阶段诱导小鼠 ES细胞分化为造血干细胞和 B 淋巴细胞 :首先使 ES 细胞发育成拟胚体 ,然后,用胰蛋白酶消化成单个细胞 ,经干细胞因子 (SCF)、血小板生成素 ( TPO)和 胚胎细胞的条件培养液处理 ,使其定向分化为造血干细胞 ;再用原代骨髓基质细胞作饲养层和SCF及 IL-6 细胞因子处理 ,可进一步使 ES 细胞来源的造血干细胞分化为 B 淋

44、巴细胞系。根据小鼠 ES 细胞体外分化为造血细胞的研究 ,发现 ES 细胞体外分化为造血细胞体系一系列发育顺序类似于在 体胚胎的发育过程。在体胚胎研究表明, 7.5 d 的小鼠胚胎最初在卵黄囊 (yolk sac)内出现大而有核的前成红细胞。当胚胎长至 10 -12 d 肝形成时 , 则卵黄囊前成红细胞逐渐消失。这表明胚胎造血 器官是从卵黄囊转移到胚胎肝脏的。 而在 ES细胞体外分化实验中 ,生长 4d 的拟胚体首先出现前成 红细胞 ,拟胚体生长至第 10 -12 d 时前成红细胞逐渐消失。成熟红细胞和成髓细胞都是在前成红细 胞出现后不久才产生。利用骨髓基质细胞或其条件培养液,可以诱导小鼠 E

45、S 细胞在体外分化为造血干细胞。这一重要进展为分析研究 ES 细胞分化为造血干细胞的早期决定以及分化机制和过程 提供了实验模型。小鼠在体胚胎的卵黄囊血岛内 ,前成红细胞的产生总是伴随着内皮细胞的出现,因而普遍认为内皮细胞和前成红细胞来源于共同的祖细胞。同样 ,ES 细胞体外分化时 ,拟胚体的血岛样结构中前成红 细胞集落周围也有内皮细胞出现。 ES 细胞衍生的拟胚体分化的管状结构是由内皮细胞排列组成的 管道内还含有一些造血细胞 ,类似于胚胎发育中的早期血管发生。 近年 ,笔者实验室利用具过度表达 转化生长因子 1 (transforming growth factor 1 , TGF 1)的小鼠

46、 ES 细胞 ,在含维甲酸 (RA) 培养液中 经悬滴培养先形成拟胚体 , 再继续贴壁培养 ,发现拟胚体周围呈辐射状长出许多血管样结构。表明 ES细胞中过度表达的 TGF 1在血管形成中起着重要作用。利用外源重组TGF1 添加至培养液 ,同样也能诱导内皮细胞组成的血管样结构。血管发生是一个极为复杂而有序的细胞生物学过程。TGF 1 是血管发生中的重要调节因子 ,但在体外也可抑制内皮细胞增殖 ;另一方面 ,细胞外基质成 分的结构三维性 (立体 )对内皮细胞粘附、伸展、移动、增殖和生物合成都有明显效应。将ES 细胞单层培养在含重组 TGF1的 I型胶原蛋白为基质的三维系统内 ,或直接将过度表达 T

47、GF1的 ES 细胞单层培养在 I 型胶原蛋白为基质的三维系统内都能获得内皮细胞组成的血管样结构,而缺乏重组 TGF 1 处理或无过度表达 TGF 1 的正常 ES 细胞在 I 型胶原蛋白为基质的三维系统内培养 , 都不能形成血管样结构。 因此,TGF1可能是通过细胞外基质行使其形成血管的功能;此外 ,用重组TGF1 处理的 ES 细胞中 ,能检测到碱性成纤维细胞生长因子 (bFGF)基因表达 ,所以 ,TGF 1 可能 调节 ES 细胞和 /或其分化细胞的 bFGF 基因表达。从而提示 bFGF 可作为血管内皮细胞的生长因 子之一 ,促进内皮细胞分化和形成血管。单层培养的小鼠 ES细胞的诱导

48、分化实验中 ,在10mol/L 维甲酸 (RA)与1 mmol/L 双丁酰基环腺昔 磷酸 (dibutyryl cyclic adenosine monophosphate, dBcAMP ) 共同作用下 ,90% -95% 的分化细胞为神经 胶质细胞。小鼠 ES 细胞也可在体外被诱导分化为少突神经胶质细胞 (oligodendrocytes ) 和运动神经 元。 ES细胞拟胚体在特定条件贴壁培养时也能被诱导分化为神经元。用悬浮培养4 d 的拟胚体在含 RA 的培养液中继续培养 4 d,再使拟胚体贴壁培养则可高效重复地分化出神经细胞, 不仅表达专一性的神经微丝 M 和 微管蛋白 ,还有钠、钾、

49、钙等离子信号通道的特征。分化的神经细胞还表 达神经递质 GABA 、 glycine 和受体 NMDA 等不同物质。甚至在体外诱导分化早期的拟胚体中检 测到神经元和神经胶质细胞的共同前体细胞的专一性标志巢蛋白 (nestin) 。用 RA 诱导 ES 细胞分 化为表达 -氨基丁酸的神经细胞植入 Huntington's 病 (一种遗传性舞蹈病 )大鼠模型体内 ,具有神经 细胞功能的移植物使患鼠症状有所改善,并存活了 6 周。因此 ,ES 细胞体外诱导分化细胞有可能成为临床细胞治疗的移植物来源的新途径之一。 这些工作都表明通过用某一简单的化合物,有可能激活 ES 细胞基因组中一套仅用于神

50、经细胞分化的基因, 而抑制了沿着其他细胞类型分化途径中应表达的基因。 近年来 , ES细胞在体外定向分化为多巴胶能神经元已取得了重大突破,这对神经发生的基础研究和临床神经细胞移植具有极重要的意义。悬浮或悬滴培养的小鼠 ES 细胞的拟胚体在 RA 诱导条件下贴壁生长数天 ,常出现某些分化细胞集 落具节律性自发收缩现象 ,显然是肌细胞。 电镜观察证实 ,收缩的细胞内存在着肌原纤维、 肌小节和 闰盘等典型心肌细胞特有结构。 发现心肌细胞分化过程中 ,分化细胞团刚开始收缩时 型肌球蛋白 重链 (MHC) 表达占优势 ,继续培养数天 ,则型 MHC 逐渐占优势 ,最终在分化的心肌细胞中 ,27 %表 达

51、型 MHC ,33 % 同时表达 和型MHC ,40 % 表达型 MHC 。这种 MHC 亚型的转变与在体 胚胎心肌发育过程极相似。除心肌细胞外,决定骨骼肌发育的基因 myf-5 、 myogen in , myoD 等在ES 细胞拟胚体的分化细胞中都能够表达 ,而且表达时序与在体胚胎发育中相同。 ES细胞拟胚体贴 壁培养 1- 2 周后一般都能出现肌细胞 ,继续培养则融合成肌管 ,显示出骨略肌发育的典型特征。分 化的肌细胞常表达成熟肌细胞专一的Ca2+信号通道和烟碱受体 (nicotinic receptor) 。二甲亚砜诱导ES 细胞拟胚体可形成心肌、平滑肌和骨倍肌等多种类型肌细胞,用肌肉

52、专一性的调节因子 myoD基因转染 ES 细胞并结合 DMSO 诱导处理 ,额外表达 myoD 基因的 ES 细胞 ,则主要分化为骨骼肌 , 没有心肌和平滑肌类型细胞出现 ,且骨骼肌常融合形成肌管。 因此,看来通过改造 ES 细胞某种基因 和给予适当培养条件的途径 ,是诱导 ES 细胞向特定单一类型细胞分化的可行方法之一。小鼠 ES细胞或 EG 细胞通过悬滴培养法 ,形成的拟胚体被转移到铺有琼脂的培养皿中,悬浮培养 3 d, 每天更换含有诱导剂二甲亚砜 (DMSO) 的培养液。 3 d 后,经过诱导剂处理的拟胚体移人表面事先用明胶 (gelatin) 包被的培养皿中进一步贴壁培养。这时给培养液

53、中加入胰岛素、三腆甲腺原氨酸 (triiodothyronine) 和胎牛血清 ,10 -15 d 后大部分拟胚体分化为脂肪细胞。 脂肪细胞中的脂滴含有甘 油三酯 (triglycerides) ,很容易用油红 O (oil red O)染色鉴定 ,显示特异性红色。笔者实验室曾用RA替代二甲亚砜诱导剂 ,其余条件同上 ,约 60%以上的 EG 细胞拟胚体可被诱导分化出脂肪细胞。 ES 细胞诱导分化为软骨细胞的条件较为苛刻,一般成功率也较低。 小鼠 ES 细胞通过形成拟胚体并结 合添加转化生长因子家族 (如 TGF1 ,BMP-2 和 BMP-4) 可诱导分化为表达软骨相关基因和蛋 白的软骨细胞

54、。 ROSA -geo 基因转染的小鼠 ES 细胞 ,在缺乏 G418 的情况下聚集成拟胚体。用 10%小牛血清代替胎牛血清 ,培养液中含有分化诱导剂 1 mol/L 地塞米松 (dexamethasone) ,2 - 3 d 更换培养液 ,50 d后,这种拟胚体发育成软骨细胞 ,经 Alcian blue 液染色 ,显示出明确的软骨细胞特征 细胞间存在着 11 型胶原。小鼠 ES 细胞经过拟胚体阶段 ,结合无血清和多种生长因子、 有丝分裂原处理 ,可被诱导分化为分泌 胰岛素的、类似胰岛的结构。近来利用人 ES 细胞经过悬浮培养获得胚体 ,再经如 bFGF 等生长因 子诱导可分化为以产生胰岛素

55、为特征的胰岛 样细胞 ,为临床糖尿病的细胞治疗提供了 细胞来源打下基础。ES 细胞定向诱导分化为肝细胞已有少数几篇报道。国内蒯小玲等成功地用RA、肝细胞生长因子(HGF)、-神经生长因子 (- NGF)共同添加至细胞培养液 ,被诱导分化细胞从形态学、 生化和肝细 胞功能性标记等指标都证明是具有功能性的肝细胞。 但仅使用 RA, 虽能分化为上皮样细胞 ,可是并 不表达各种肝功能的生化指标 ,例如,白蛋白、 AFP、G-6-P、1-AT、肝核因子 -4 和 SAPK/ERK 激 酶-1 (SEK1)等,表明 HGF 和-NGF 是诱导小鼠 ES细胞分化为功能性肝细胞的重要因子。 在现阶 段,通过不

56、同的诱导途径可将 ES 细胞诱导成肝细胞。 但体外诱导 ,体内诱导以及体内外相结合的诱 导分化 ,总的来看 , ES 细胞定向 分化为肝细胞的分化率和在体内与正常肝的嵌合率都还不高,这是一个急需解决的问题。由于 ES细胞易进行遗传操作 ,近年日本科学家 Toyooka将标记基因 GFP或 lacZ定点敲人 (knock in) ES细胞 Mvh 基因(在生殖细胞分化中特异表达的基因 )位点,用以 ES细胞体外分化期间追踪生殖细 胞的产生。体外 ES细胞形成拟胚体时 ,出现 Mvh 阳性的生殖细胞 ,与分泌骨形态发生蛋白 (BMP4 ) 的细胞共培养下 ,可促进这种 Mvh 阳性生殖细胞分化。

57、将这种 Mvh阳性生殖细胞接种人 CD - 1 (ICR) 裸鼠辜丸被膜下 ,可进一步分化成熟为精子。同年早些时候,美国 Hubner 等人也报道了小鼠 ES 细胞在体外可发育为进入减数分裂期的卵原细胞(oogonia) ,在体外观察了卵子发生 ( oogenesis)过程。第三节 成体干细胞20 世纪初 , Pappenheim根据对骨髓中的造血细胞发生过程的形态学观察 ,提出了骨髓中存在着未分 化干细胞的设想 ,认为未分化的干细胞通过各个中间阶段的前体细胞最终生成成熟的多种类型血 细胞。第一次提出了 成体干细胞 (adult stem cell) 的概念。成体干细胞 是指一群分布在成体组织

58、中尚未分化的、具有自我更新潜能并负有构建和补充某种组 织的各种类型细胞的干细胞 ,故又名 组织干细胞 。实际上 ,成体组织中存在干细胞是个体发育进化史 的产物 , 涉及组织器官的再生能力和创伤修复等基本特性。例如,骨髓组织的造血干细胞可分裂、分化为血液系统 的各种细胞 ,定期补充细胞成分或失血。小肠和皮肤中的干细胞也分别能分化、 补充和更新小肠和皮肤组织的一些细胞。 传统的观点曾认为 ,干细胞一旦分化成熟 ,就不再分裂增殖 了 ;人体除了血液、皮肤、消化管上皮和肝脏的组织干细胞有一定的再生能力外,其他组织器官例如神经组织基本上不再具有再生能力。同时也认为在成体中存在的、属于某组织器官的成体干细胞是专能或限能的 ,例如造血干细胞只能分化为血液系统的各种细胞等。但是,新近的研究表明 ,这些成体干细胞的发育潜能可跨越组织或胚层的界限。例如 ,从成年小鼠脑组织分离的神经干细胞移植入经 X 射线照射过的小鼠骨髓部位 ,则分化出血液细胞。此后 ,发现人和小鼠的神经干细胞具有 分化为肌细胞和胚胎多种组织细胞的潜能。 看来 ,神经干