第十六章 干细胞与组织维持和再生(唐霓)ppt课件

1、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 干细胞根底生物学第二节 胚胎干细胞和组织干细胞第三节 干细胞“干性的调理机制第四节 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坚持较完好的生理功能的过程。组织修复组织再生 物种的再生才干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亲密相关 胚胎干细胞是目前知分化功能最为强大的干细胞。 组织干细胞坚持着自我更新和分化的潜能，维持组织器官的稳态平

2、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 干细胞根底生物学 stem cell biology干细胞具有“无限 的增殖才干，可以产生与母代细胞完全一样的子代细胞，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构成个体的一切成熟细胞类型。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。干细胞经过非对称分裂产生与一个与母代细胞完全一样的子代细胞，以坚持干细胞稳定；同时还产生过渡放大细胞TA细胞，再由过渡放大细胞经过假设干次分裂，最终产生分化细胞。二、干细胞具有区别于其他类型

3、细胞 的重要生物学特征 一 干细胞具有“无限的自我更新才干 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外表标志分子四、干细胞的来源和组织类型不同决议其独特的生物学特征 特征性基因产物如

4、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，衔接蛋白43等 转录因子 如Oct3/4，Nanog，Sox2 等 谱系定向分化才干 二组织干细胞具有组织定向分化才干 和特定组织定居才干 特定组织定居的才干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状、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对，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外表分子骨髓间充质细胞 CD29、CD

5、44、CD166等造血干细胞 Ly6A/ESca-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构成组织干细胞的前 体细胞 小鼠造血系统发育的第一个部位是胚外卵黄囊，随

6、后是胚内的自动脉-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。 神经干细胞出如今原肠胚期胚胎外胚层构成神经组织以后 神经板的诱导和神经干细胞的出现都标志 着构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 干细胞需求特殊的微环境才干执行正常的生理功能。假设将造

7、血干细胞从其正常生存的微环境中分别，它们即丧失了自我更新的才干。 一 干细胞需求特殊的微环境才干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，其中帽细胞经过E-cadherin介导的严密衔接将GS

8、C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方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理。 细胞外基质:对干细胞正常功能的维持提供了重要信号，并且可以直接调理干细胞的分化方向。空间效应:空间构造对坚持适宜的干细胞数目和干细胞的定向分化发扬了重要作用。 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构造组成 三 干细胞微环境具有一些共同的构造与功能特点 一些重要的信号分子辅助干细胞定位于微环境 干细胞微环境可以产生多种外源信号

9、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构造 骨髓干细胞微环境 八、干细胞生物学研讨具有宽广的运用前景 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 有助于挑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“无限的增殖才干和多向分化潜能一 胚胎干细胞的分别、体外培育和鉴定 哺乳动物胚胎干细胞的分别培育技术的建立 细胞因子LIF维持小鼠ES细胞干性人类ES细胞与小鼠ES细胞的比较人类ES细胞小鼠ES细胞形态扁平的、有明显细胞边界的克隆 紧密聚集型，形成圆顶样克隆 分

10、化差异体外培养条件下较容易分化，并形成多种原始干细胞和部分处于不同分化阶段幼稚细胞的多克隆 体外培养条件下较容易分化培养条件加入细胞因子LIF不能完全替代饲养细胞的作用 细胞因子LIF不能完全替代饲养细胞的作用二胚胎干细胞体外分化首先构成胚状体 小鼠ES细胞的体外分化 采用STAT-gp130抑制剂 参与维甲酸retinoic acid和二甲基亚枫DMSO 体外悬浮培育 构成EB三种胚层细胞种系细胞缺乏胚胎发育的定位信号 目前曾经胜利地诱导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

11、诱导分化为任何一种组织细胞二、组织干细胞的分化遭到精细而复杂的调控 一造血干细胞启动造血并分化构成一切谱系血液细胞 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首先分化构成多能造血祖细胞，然后分化为髓系干细胞和淋巴系干细胞，髓系干细胞分化构成红细胞、血小板、巨噬细胞、中性粒细胞，而淋巴系细胞那么构成T细胞，B细胞，NK细胞等。 3. HSC特征外表标志分子 人类HSC比较明确的主要外表标志物为CD34+、Lin-、c-kit+、sca-1+，其他外表分子还包括Thy-1, IL-7R, F

12、lt3, CD150等。 二间充质干细胞主要栖息于骨髓，能分化构成中胚层细胞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，能黏附于培育塑料外表，在体外培育初始阶段构成克隆。 形状标志物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的运用 MSC部分移植治疗 组织器官的系统移植 干细胞的基因治疗 组织工程中MSC的运用 器官移植的排斥反响中起免疫调理作用 三皮肤干细胞维持体表屏障构造和功能的完好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别的间充质干细胞皮肤毛囊干细胞、肝和小肠干细胞的定位

13、及分化调控 皮肤干细胞的特征 细胞增殖缓慢，主要表达在活体细胞标志滞留； 自我更新才干强，体外培育条件下，毛囊干细胞能增殖构成较大的克隆群； 经过整合素与表皮基底膜严密相连。 1. 皮肤表皮干细胞的外表标志物 整合素运铁蛋白受体transferrin receptor角蛋白Keratin，CKc-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构造重塑和毛 囊的构成。 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

14、的复杂变化过程1. 肝干细胞的来源和定位胚胎发育过程中，肝原基liver bud来源于前肠内胚层，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19CK19神经细胞黏附分子NCAM上皮细胞黏附分子EpCAMclaudin-3(CLDN-3)Liv2、Dlk-2肝祖细胞甲胎蛋白AFPAlb基因4.

15、肝干细胞的诱导分化 成体肝组织内分别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： 主要经过胚状体构成内胚层特定分化肝祖细胞构成类肝细胞成熟四阶段构成肝样细胞。 五 其他干细胞的自我更新与分化同样遭到精细 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别出可以不断增殖并具有分化潜能的细胞。 神经干细胞的特征性外表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

16、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构成成熟配子体精子或卵子的前体细胞，通常以为其来源于原始生殖细胞(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 多数观念以为其来源于胚胎外胚层，但人类原始生殖细胞能够来源于接近尿囊基部的卵黄囊背

17、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外表标志物 人类原始生殖细胞高表达碱性磷酸酶、糖脂类SSEAs、糖蛋白TRA-1-60、TRA-1-81、EMA-1、转录因子OCT-4及端粒末端转移酶hTERT。 PGC的分化需求BMP和转化生长因子超家族成员的协同作用。 第三节 干细胞“干性的调控机制 一、细胞外信号分子经过调控细胞内一些重 要转录因子来维持干细胞“干性 胚胎干细胞主要经过细胞外信号分子调控细胞内一些重要转录因子，促进干细胞增殖，抑制细胞分化关键基因的表达程度，维持胚胎干细胞未分化形状。目前知的主要细胞外因子包括白血病抑制因子LIFleukemia inhibit

18、ing factor，BMP4等，细胞内重要的转录因子包括STAT3、Oct3/4，Sox-2和Nanog等。 一 LIF是目前独一明确的坚持小鼠干细胞干性的 重要细胞因子 LIF-STAT信号通路图 STAT3 ：称为信号转导和活化转录因子。Oct3/4： 最早称为Oct-3或Oct-4，现一致命名为Oct3/4，由Pou5f1 基因编码，属于POU家族V 型转录因子。Sox-2：Sox (Sry-related HMG box-containing)是Sry-相关转录因子家族的成员 ，和Oct-3/4相互协同调理下游靶基因。Nanog：是最近鉴定的维持干细胞未分化形状的重要转录因子。 二一

19、些重要的转录因子参与调控干细胞的未分化形状小鼠ES细胞“干性的维持主要经过三个程度进展：第一是外源重要信号分子如LIF或BMP等，第二是转录调理因子主要包括Oct3/4、Nanog、Sox2，第三是调控细胞重要生命活动包括细胞周期、端粒酶活性、细胞凋亡或分化等的重要基因的功能。 二、干细胞“干性的维持有赖于细胞内复 杂的协同反响调控网络 Nanog、Oct3/4以及Sox2在一样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，构成交互作用的自我调理网络，维持干细胞的未分化特性。 上述三种转录因子还存在本身负反响调理机制。三、细胞外信号分子经

20、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 一 TGF-/BMP信号在干细胞的发育中起重要作用 1 TGF-家族调控胚胎干细胞的增殖与分化2对造血干细胞分化的影响 3对间充质干细胞分化的调控 TGF-/BMP和Wnt/catenin信号途径二 Wnt是干细胞正常分化与增殖所需的重要细胞 因子 Wnt信号经典通路调控干细胞的自我更新与增殖Wnt信号在神经系统发育中的重要作用 Wnt信号通路对造血干细胞的分化与发育 三其他信号分子以网络调控方式调控干细胞的增殖与分化 FGF信号调控胚胎干细胞的分化与发育，Notch、HH信号参与神经系统、造血系统和骨髓间充质干细胞的增殖与分化等。

21、在不同组织干细胞微环境中，没有任何一种信号分子对干细胞的生物学行为呈现单点、一一对应的调控方式，都是经过不同信号分子的协同作用构成了复杂的调控网络，共同调控干细胞的增殖与分化。 在不同类型的组织干细胞或干细胞发育的不同阶段，细胞内特征性的组蛋白修饰，可以将基因组分割成为活化基因区、抑制基因区以及待活化区域，使基因的转录和表达呈现独特的方式，精细调控干细胞的分化与发育。四、表观遗传修饰参与调控干细胞的正常分化与发育 1. 组蛋白共价修饰在调理基因转录中的重要的作用 组蛋白修饰调控染色质空间构造和基因转录图经过组蛋白的不同修饰形状，使染色质处于不同的空间构造如异染色质、常染色质以及转录活化形状。组

22、蛋白的甲基化修饰通常使目的基因的转录处于封锁形状，而组蛋白乙酰化修饰导致染色质严密构造松散，有利于基因的转录。 2. DNA甲基化修饰主要与基因抑制相关 DNA甲基化是另外一种表观遗传修饰方式，主要与基因抑制gene suppression相关。 未分化干细胞与进入分化进程的干细胞中重要功能基因的甲基化形状不同。 3. miRNA的作用 Micro RNAmiRNA是非编码蛋白的RNA转录产物，长度约2025nt。 在ES细胞分化过程中，miRNA的表达谱发生动态改动。 基因表达调控的表观遗传修饰方式之间，以及这些修饰方式与维系干细胞未分化特性的重要转录因子之间，存在着相互协调和相互影响的复杂

23、网络，使得细胞内某些重要功能基因被选择性激活或抑制，共同调理干细胞的分化和发育。 第四节 干细胞与疾病的关系 一、传统的肿瘤发生假说不能圆满解释肿瘤的发生 机制 肿瘤的发生是一种克隆进化疾病。 肿瘤的发生是体细胞基因多阶段突变积累和演化的过程，阅历了起始initiation、积累accumulation和促进promotion三个阶段。 结肠癌的发生是典型的、研讨较为透彻的基因突变积累过程的例子。 基因突变与“克隆进化假说不能完全解释肿瘤的发活力制 体细胞自发突变构成肿瘤的能够性比较小。肿瘤的发生必需突破细胞静止形状的限制，例如逃逸一些调控细胞周期关键分子的作用。干细胞强大的增殖才干可以作为肿

24、瘤细胞的重要来源，同时它们在体内长期存在，也为基因的突变积累提供了根底。 肿瘤发生的克隆选择假说与肿瘤干细胞假说 二、肿瘤干细胞假说为肿瘤发活力制的认识提供了新的思绪一 肿瘤干细胞是肿瘤发生的原始细胞 1994年John Dick首先发现急性髓样白血病AML病人体内存在肿瘤干细胞。 2003年发现了乳腺癌干细胞和脑肿瘤干细胞。 目前曾经在肠道肿瘤、骨肉瘤、肝癌等实体瘤以及血液系统肿瘤中发现了肿瘤干细胞。1. 肿瘤干细胞的发现 2. 肿瘤干细胞的概念 肿瘤干细胞cancer stem cell, CSC也称为肿瘤来源细胞tumor-initiating cell，是从肿瘤组织中分别或鉴定的少数细

25、胞，具有无限的自我更新和诱导肿瘤发生的才干，是肿瘤产生的种子细胞。 肿瘤干细胞的生物学特征图 3. 肿瘤干细胞的外表标志物 曾经鉴定的肿瘤干细胞外表标志物肿瘤类别细胞表面标志物AMLCD34+CD38-多发性骨髓瘤CD34-CD138-神经系统肿瘤CD133+乳腺癌CD44+CD24-/low结肠癌CD133+肝癌CD90+CD45-胰腺癌CD44+CD24+ESA+头颈部肿瘤CD44+Lineage-4. 肿瘤干细胞与正常干细胞的比较 具有一些共同的外表标志物均具有体内组织器官的迁移才干 均具有强大的自我更新才干 存在类似的、调理自我更新的信号转导途径 。 二 干细胞异常分化和增殖导致肿瘤的

26、发生 1. 干细胞未成熟分化和异常增殖与肿瘤 干细胞异常分化与肿瘤的发生2. 肿瘤干细胞微环境与肿瘤干细胞恶性转化肿瘤干细胞微环境图 肿瘤干细胞微环境中的信号异常活化或者构造改动，是肿瘤干细胞恶性表型的重要刺激要素 小肠腺瘤细胞、皮肤毛囊肿瘤细胞和淋巴细胞性白血病细胞信号通路的异常 肿瘤干细胞微环境与肿瘤转移和侵袭的关系 三肿瘤干细胞概念为肿瘤发活力制和治疗的研讨开辟了新的途径 “肿瘤干细胞与 “克隆进化假说相互补充，更好解释了“克隆进化学说不能解释的一些临床景象。 肿瘤干细胞概念的提出不但加深了人们对肿瘤发活力制的认识，对肿瘤的治疗研讨也开辟了新的思绪。 三、 干细胞的衰老与老年疾病和退行性

27、疾病的发生相关 机体衰老过程中出现细胞DNA损伤和凋亡信号通路的活化 ，组织干细胞自我更新才干的减弱甚至组织干细胞的凋亡，或许与退行性疾病的发生亲密相关。详见第十二章中细胞衰老 第五节 细胞重编程及诱导多能干细胞 一、体细胞重编程为干细胞和再生医学 的研讨开辟了全新的领域 细胞重编程reprogramming能引导体细胞基因 表达向胚胎细胞或者其他类型细胞转变。 细胞分化逆转的最早证据来自于将体细胞核 导入去核卵细胞的实验研讨。 细胞重编程的能够机制细胞重编程的进程阅历了一种中间细胞形状； 调控ES细胞分化与发育相关的染色质修饰蛋白； 与某些维持干细胞未分化形状的关键基因相关； 原癌基因如c-

28、Myc和Klf4 可以促进重编程；细胞交融诱导的重编程还涉及染色质蛋白的交换。 二、细胞重编程的新技术方法具有艰苦的实际意义和适用价值 一核转移技术提供了实现体细胞分化 逆转的重要手段 二体细胞与胚胎干细胞交融将表现 出多能干性 三细胞谱系转化突破了传统的细 胞单向分化规那么 四转录因子结合诱导多能干细胞的 产生是细胞重编程研讨最受关注 的热点 细胞重编程常用的技术方法 1. 细胞生物学特征 五iPS细胞具有和胚胎干细胞类似的生物学特征 1形状学特点：iPS形状与ES类似，单个细胞呈圆形，核大，胞质少。构成的细胞克隆也与ES细胞类似：人类iPS细胞克隆呈扁平状、边缘锐利；小鼠iPS细胞克隆呈圆

29、形、堆积更为严密。2生长特性：细胞倍增时间和有丝分裂行为对ES细胞执行生物学功能是非常重要的，iPS细胞有丝分裂和自我更新特性与ES一样。3干细胞外表标志物：人iPS细胞表达hESC特异的标志物，如SSEA-3,SSEA-4, TRA-1-60, TRA1-81, Nanog等，小鼠来源的iPS特异表达SSEA-1。4干细胞特异基因：iPS细胞表达未分化的ES细胞特异基因，包括Oct3/4, Sox2, Nanog, FGF4, Rex1,hTERT等。5端粒酶活性：iPS同样具有活泼的端粒酶活性，以维持细胞的自我更新与增殖。2. 多向分化潜能：iPS细胞可以向神经干细胞或心肌细胞分化。 3.

30、 表观遗传学特征：1启动子区甲基化：在iPS细胞中维系干细胞特 性的重要基因变为去甲基化，阐明上述基因的 活化诱导iPS的发生。 2组蛋白的去甲基化：iPS细胞中与Oct3/4, Sox2, Nanog相关的组蛋白H3发生去甲基化改动， 也提示上述基因的活化参与iPS的构成。 第六节 干细胞的治疗运用与前景展望 一、干细胞是组织工程较为理想的种子细胞 组织工程是采用细胞、生物资料和组织重建技术，研讨和开发用于修复、替代和促进人体组织或器官损伤后功能和形状的生物替代物。 干细胞是组织工程较为理想的种子细胞：具有强大的自我更新、增殖才干和进一步分化的潜能。组织干细胞用于组织工程的方式1体外培育扩增组织干细胞，直接回输体内。2体外诱导组织干细胞分化成组织器官，然后进展组织器官移植。3将组织干细胞种植于生物活化支架或安装，并