中-南-大-学-生物学进展课件

1,2007年，美国科学家马里奥·卡佩奇和奥利弗·史密西斯、英国科学家马丁·埃文斯。这三位科学家是因为“在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列突破性发现”而获得诺贝尔生理学或医学奖 。,2,10月8日，日本京都大学物质-细胞统合系统据点iPS细胞研究中心长山中伸弥与英国剑桥大学发育生物学家约翰·戈登，因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献，获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。对此，业界的共识是: 干细胞产业的发展前景逐渐明朗。 “干细胞与医学研究”是现代生命科学发展的前沿。,3,2006年他们把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒载体，然后引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的诱导多功能干细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。在2007年11月，这项实验在人体皮肤细胞上也获得了成功。随后，众多科学家在小鼠、人等不同物种诱导多功能干细胞成功已经反复证明了细胞命运可以通过基因调节转换。,4,stem cell,Developmental Biology School of Biological Science and technology Central South University,zhangjianxiangmail.csu.edu.cn,5,一、 What are the stem cells ? 二、Classification of stem cell 三、 Characteristic of stem cell 四、 Where to get stem cells？ 五、 Why to study ? How to separate and grow ? and more,6,一、 What are stem cells ? 个体发育过程的发展和完成主要是通过细胞的分裂来实现的。细胞的分裂可以扩大细胞的群体，并由此伴随不同分化趋势的形成，所以，个体发育的过程实际上是细胞的不断增殖和有序分化的结果。在个体发育的不同时期，总有一些细胞保持分裂增殖能力、自我复制能力(自我更新)、和多向分化潜能。 即能分化产生一种以上“专业”细胞的原始细胞称为干细胞（stem cell）。,7,在发育过程中，干细胞的 “分化等级”不同。如存在于囊胚内细胞团（inner cell mass，ICM）中的细胞具有分化为机体任何一种组织器官的潜能，习惯上把它称为胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES细胞）。这种干细胞的分化潜能很“宽”，认为它们是各种组织器官中的干细胞，具有自我更新能力。 在成体内，通常只能分化为相应（或相邻）组织器官组成的“专业”细胞，称为成体干细胞（somatic stem cell）。其分化潜能较“窄”，这样的干细胞在个体发育中的“等级”较低。,8,二、 Classification of stem cell 1.根据干细胞的分化潜能分为: .全能干细胞（Totipotent /Omnipotent stem cells） .多能干细胞 （ Pluripotent stem cells） （multipotent stem cells） . 单能干细胞（Unipotent stem cells ） 2.根据干细胞的来源分为: .胚胎干细胞（Embryonic stem cells，ES细胞） .成体干细胞（Somatic/adult stem cells ） . 诱导干细胞（induced pluripotent stem cell iPS ),9,10,1.全能干细胞 Totipotent /Omnipotent stem cells 可以分化形成人体所有的各种细胞、或发育形成新的个体。是指在早期胚胎发育过程中的受精卵及受精卵分裂形成2个、4个或8个卵裂球时期的细胞。,11,卵裂期的全能干细胞 Totipotent /Omnipotent stem cells,受精后3648h,受精卵,四细胞期,12,2. 多能干细胞（Pluripotent stem cell）可以分化形成人体所具有的全部细胞、但不能发育形成新的个体。主要存在于早期胚胎发育形成的桑椹胚和胚泡的成胚体细胞。在此阶段只要提取一个细胞，都可以可以分化形成人体所具有的全部细胞，所以都是多能的干细胞。,胚泡期的多能干细胞 Pluripotent stem cell,内细胞群,13,3. 多能干细胞： multipotent stem cells 各胚层期的多能干细胞 multipotent stem cells,14,1. 造血干细胞,2. 造血祖细胞,很强的增殖潜能 多向分化能力 自我复制能力,增殖能力有限 形成特定类型的血细胞,多能造血干细胞与单能造血祖细胞 Multipotent stem cells、 Unipotent stem cells,15,造血多能干细胞： Multipotent stem cells Unipotent stem cells,16,4. 单能干细胞： Unipotent stem cells 单能的或者专能的，只能分化成一种细胞，或者是分化成关系比较密切的两种细胞，这叫单能干细胞。单能干细胞存在非常广泛，存在机体的组织器官，大部分组织器官都要存在。,17,18,三、干细胞生物学特性 受精卵通过不同的增殖分化途径，形成不同特征的细胞组成功能各异的组织器官。即使在动物个体成熟之后，机体的组织仍然保持自体稳定性（homeostasis），即在特定组织中细胞的死亡和增生保持动态的平衡。此外，各种组织还保持着程度不同的损伤后再生的能力。如一些两栖类动物的肢体在损伤后可完美的再生；哺乳动物的造血系统，小肠，毛发，皮肤也保持了一定的再生能力；肝在损伤不太严重时也可部分再生。,19,(一) 干细胞的形态和生化特征 1.干细胞的形态特征：干细胞在形态上有一些共性。在体外呈圆形，卵圆形，核型正常，单层或多层，密集堆积而形成岛状或巢状群体生长状况; 在体内细胞通常呈圆形或椭圆形，体积较小，核质比相对较大。不同种类的干细胞生化特征各有差异，都具有比较高的端粒酶活性，这与其增殖能力是密切相关的。如造血干细胞（hematopoiesis stem cell，HSC）有类似癌细胞的端粒酶活性，而由其分化产生的专能性祖细胞的端粒酶活性则显著下降。,20,2.生化特征：表现为端粒酶活性高，碱性磷酸(Alkaline phoshatase，AKP)和特异性免疫标志物：阶段特异性胚胎抗原（Stage-specific embryonic antigen，SSEA），TRA-1-60表达。 具有全能性或多能性，在适当条件下ES细胞可被诱导分化为多种特定的细胞或组织，包括神经元、造血干细胞和心肌细胞; 是研究哺乳动物胚胎早期发生、细胞分化、基因调控等发育生物学基本问题的理想模型。,胚胎干细胞的特征：,21,细胞标志物: ES细胞表达早期胚胎细胞及胚胎肿瘤细胞(Embryonal carcinoma cells，EC细胞)的表面抗原、AKP及端粒酶活性。 但细胞标记物SSEA的表达的种属差异性：在鼠和人的ES细胞之间存在种属差异性，如小鼠内细胞群(Inner cell mass，ICM)的ES细胞均表达SSEA-1，但不表达SSEA-3和SSEA-4；而人和恒河猴ES细胞SSEA-1为阴性，但分离的人ES细胞或原始生殖细胞(Primordial germ cells，PGCs) SSEA-l、SSEA-3、SSEA-4、TRA-1-60等均为阳性，利用这种差异和表面标志物可以验证胚胎干细胞。,22,表 几种不同细胞的标志物 SSEA-1 SSEA-3 SSEA-4 TRA-1-60 TRA-1-81 AKP 端粒酶 小鼠ICM ？ ？ ？ ？ ES ？ ？ ？ ？ EC ？ ？ ？ ？ EG ？ ？ ？ ？ ？ ？ 人 ES EC ？ PGCs / ？ ？ 恒河猴ES ？ ？ ？ ？ ？ ？ +阳性，-阴性，+强阳性，-/+可疑阳性，？未见报道,23,ES的生物学特性 小结,a.ES形态学特性与生长特性，在体外呈圆形，卵圆形，核型正常，单层或多层，密集堆积而形成岛状或巢状群体生长状况;在体内细胞通常呈圆形或椭圆形，体积较小，核质比相对较大。 b.ES在体内能自我复制，体外培养细胞能增殖，选择克隆和冷冻保存等，冷冻不失其原有的特性。 c.ES具高度分化的潜能，ES在外培养需要在饲养层上培养才能维持为分化的状态，一旦脱离饲养层就自发进行分化。 d.人胚胎干细胞表面抗原及定向诱导分化。,24,(二) 干细胞的增殖特征 1、干细胞增殖的缓慢性 当干细胞进入分化程序前，首先要经过一个短暂的增殖期，产生过渡型细胞(transitamplifying cell)。经若干次分裂后产生分化细胞，过渡细胞的作用是可以通过较少的干细胞产生较多的分化细胞。认为缓慢增殖有利于干细胞对特定的外界信号作出反应，以决定进行增殖还是进入特定的分化程序； 缓慢增殖还可以减少基因发生突变的危险； 以便终生存在于机体内。由此，有学者认为干细胞的作用可能不仅仅在于补充组织细胞，干细胞的存在还具有防止体细胞自发突变的作用。,25,2、干细胞增殖系统的自稳定性 自稳定性(self-maintenance)是指干细胞可以自我更新(self renewing)并维持其自身数目恒定。这是干细胞的基本特征之一。 3、干细胞分裂特性 当干细胞分裂时，如两个子代细胞都是干细胞或都是分化细胞，则称为对称分裂(symmetry division)；产生一个子代干细胞和一个子代分化细胞则称为不对称分裂(asymmetry division)。 无脊椎，不对称分裂是干细胞维持自身数目恒定的方式。,26,(三) 干细胞的分化特征 1、干细胞的分化潜能 受精卵分裂成多个完全一样的全能细胞，将这些细胞中的任何一个，放到女性的子宫内，都可发育为胚胎，这种细胞和受精卵统称为全能性(totipotent)干细胞。胚泡中的内细胞团细胞称为胚胎干细胞，可以分化为任何一种组织类型的细胞，具有多能性(pluripotent)，但不能分化为生物个体。多能性干细胞进一步分化产生成体干细胞，如肠干细胞(intestinal stem cells)可分化产生肠的吸收细胞(absorptive cell)、杯状细胞(goblet cell)、潘氏细胞(Paneths cell)和肠内分泌细胞。这种干细胞被称为专能性干细胞(multipotent stem cells)，其分化潜能受到限制，能分化形成与之相关的特定功能的细胞。,27,2、干细胞的转分化和去分化 成体干细胞被认为只能向一种类型或与之相关的细胞分化，如神经干细胞只能向神经系统细胞分化而不能分化成其他类型细胞。但目前证据表明，自成体分离的干细胞仍然具有相当的可塑性。一种组织类型的干细胞在适当条件下可以分化为另一种组织类型的细胞，称为干细胞的转分化(transdifferentiation)。 1997年Eglitis等人证明成年动物的造血干细胞可分化成为脑的星形胶质细胞、少突胶质