医学细胞遗传学课件细胞衰老细胞死亡

干细胞与组织再生干细胞与组织再生Stem cell&cell regeneration黄禹锡造假黄禹锡造假小保方晴子造假小保方晴子造假胚胎干细胞胚胎干细胞(embryonic stem cell，ESC)n在人胚胎发育早期在人胚胎发育早期囊胚中含有未分化的细胞。囊胚中含有未分化的细胞。n囊胚含有约囊胚含有约140个细胞，外表是一层扁平细胞，称个细胞，外表是一层扁平细胞，称滋养层，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中滋养层，可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔，腔内一侧的细胞群，称内细胞心的腔称囊胚腔，腔内一侧的细胞群，称内细胞群（群（inner cell mass,ICM）。n内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。每个胚层将分别分化形成人体的始分化。每个胚层将分别分化形成人体的各种组织和器官。各种组织和器官。n当内细胞群在培养皿中培养时，我们称之当内细胞群在培养皿中培养时，我们称之为胚胎干细胞。为胚胎干细胞。ESC特点特点n可在体外无限培养可在体外无限培养增殖增殖n长期保持原始未分长期保持原始未分化状态化状态n可分化出衍生于可分化出衍生于3胚胚层的各类组织细胞层的各类组织细胞胚胎干细胞可以诱导分化为任何一种组织细胞胚胎干细胞可以诱导分化为任何一种组织细胞胚胎干细胞的获得胚胎干细胞的获得nThomson的工作的工作:从人类胚胎的囊胚期内细胞群从人类胚胎的囊胚期内细胞群中直接分离多能干细胞。中直接分离多能干细胞。nGearhart的工作：的工作：Gearheart从从终止妊娠的胎从从终止妊娠的胎儿原本要发育成睾丸或卵巢的部位取得细胞。儿原本要发育成睾丸或卵巢的部位取得细胞。n尽管尽管Thomson 和和Gearheart使用的细胞系来源使用的细胞系来源不同，但非常相似。不同，但非常相似。体细胞核转移体细胞核转移n将一个正常的动物卵细胞去除细胞核（含染色体的将一个正常的动物卵细胞去除细胞核（含染色体的细胞结构）。在实验室条件下将单个体细胞细胞结构）。在实验室条件下将单个体细胞(除卵细除卵细胞或精子细胞之外的任一种细胞胞或精子细胞之外的任一种细胞)与除去核卵细胞放与除去核卵细胞放在一起，使两者相融合。融合细胞以及其子细胞具在一起，使两者相融合。融合细胞以及其子细胞具有发育成一个完整个体的潜能，因此是全能性的。有发育成一个完整个体的潜能，因此是全能性的。胚胎干细胞的主要特征胚胎干细胞的主要特征形形态态：体体积积小小、核核大大、紧紧密密堆堆积积，无无明明显显细细胞胞界限界限生化：胚胎阶段特异性抗原（生化：胚胎阶段特异性抗原（stage-specific embryonic antigen，SSEA）端粒酶端粒酶活性高活性高分化能力强，可在体外长期培养分化能力强，可在体外长期培养n将将ESC注注射射到到裸裸鼠鼠皮皮下下，小小鼠鼠可可产产生生畸畸胎胎瘤瘤。分分化化的的胚胚胎胎组组织织包包括括胃胃上上皮皮组组织织(内内胚胚层层),骨骨和和软软骨骨组组织织、平平滑滑肌肌和和横横纹纹肌肌(中中胚胚层层)，神神经经表表皮皮、神神经节和复层鳞状上皮经节和复层鳞状上皮(外胚层外胚层)等。等。n动物模型：嵌合体小鼠动物模型：嵌合体小鼠为什么进行胚胎干细胞研究为什么进行胚胎干细胞研究干细胞技术的市场前景干细胞技术的市场前景n研究干细胞增殖和分化机制的最终目的是应用干细胞治疗研究干细胞增殖和分化机制的最终目的是应用干细胞治疗疾病。理论上讲，干细胞可以用于各种疾病的治疗，但其疾病。理论上讲，干细胞可以用于各种疾病的治疗，但其最适合的疾病主要是组织坏死性疾病如缺血引起的心肌坏最适合的疾病主要是组织坏死性疾病如缺血引起的心肌坏死，退行性病变如帕金森综合征，自体免疫性疾病如胰岛死，退行性病变如帕金森综合征，自体免疫性疾病如胰岛素依赖型糖尿病等。素依赖型糖尿病等。优点明显优点明显n应用干细胞治疗疾病较传统方法具有很多优点：应用干细胞治疗疾病较传统方法具有很多优点：n低毒性（或无毒性），一次给药有效；低毒性（或无毒性），一次给药有效；n不需要完全了解疾病发病的确切机理；不需要完全了解疾病发病的确切机理；n还可能应用自身干细胞移植，避免产生免疫排斥反应。还可能应用自身干细胞移植，避免产生免疫排斥反应。存在的问题存在的问题nESC的分离培养首先需要解决的问题是阻止引起的分离培养首先需要解决的问题是阻止引起分化的基因的激活与表达，以实现分化抑制，保分化的基因的激活与表达，以实现分化抑制，保证细胞的全能性。证细胞的全能性。ESC在体外需在饲养层在体外需在饲养层(feeder layer)细胞上培养才能维持其未分化状态，一旦脱细胞上培养才能维持其未分化状态，一旦脱离饲养层就自发地进行分化。离饲养层就自发地进行分化。选择合适培养基，添加选择合适培养基，添加LIF（小鼠小鼠ES细胞细胞）LIF是目前唯一明确的保持小鼠干细胞特性的重要细胞因子，是目前唯一明确的保持小鼠干细胞特性的重要细胞因子，维持其增殖状态。维持其增殖状态。LIF-STAT信号通路图信号通路图 n如何定向诱导干细胞分化？如何定向诱导干细胞分化？-细胞分化是多种细胞因子相细胞分化是多种细胞因子相互作用引起细胞一系列复杂的生理生化反应的过程，因而要诱导产生互作用引起细胞一系列复杂的生理生化反应的过程，因而要诱导产生某种特异类型的组织，需要了解各种因子在何时何地开始作用，以及某种特异类型的组织，需要了解各种因子在何时何地开始作用，以及何时何地停止作用何时何地停止作用。n由胚胎干细胞在体外发育成一完整的器官尤其是由胚胎干细胞在体外发育成一完整的器官尤其是像心、肝、肾、肺等大型精细复杂的器官这像心、肝、肾、肺等大型精细复杂的器官这如何如何克服移植排斥反应克服移植排斥反应n对胚胎干细胞及其衍生细胞的移植的安全性尚需对胚胎干细胞及其衍生细胞的移植的安全性尚需做全面、客观、深入的评价。做全面、客观、深入的评价。n人胚胎干细胞的来源是否合乎法律及道德，应用人胚胎干细胞的来源是否合乎法律及道德，应用过程中所产生的伦理及法律问题如何处理。过程中所产生的伦理及法律问题如何处理。n研究表明人体脂肪、胎盘等组织中的干细胞，具研究表明人体脂肪、胎盘等组织中的干细胞，具有惊人的可塑性，和胚胎干细胞一样，可以分化有惊人的可塑性，和胚胎干细胞一样，可以分化成各种各样的组织细胞，可以通过诱导使成体干成各种各样的组织细胞，可以通过诱导使成体干细胞进行特化发育，然后将其移植回病人体内，细胞进行特化发育，然后将其移植回病人体内，这样既可以避免发生排斥现象，也可以避免使用这样既可以避免发生排斥现象，也可以避免使用来源于人体胚胎或人体胎儿的干细胞。来源于人体胚胎或人体胎儿的干细胞。成体干细胞的不足之处：成体干细胞的不足之处：n人们尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞，例如人人们尚未从人体的全部组织中分离出成体干细胞，例如人们尚未发现人类的成体心脏干细胞。们尚未发现人类的成体心脏干细胞。n成体干细胞含量极微，很难分离和纯化，且数量随年龄增成体干细胞含量极微，很难分离和纯化，且数量随年龄增长而降低。长而降低。n在一些遗传缺陷疾病中，遗传错误很可能也会出现于病人在一些遗传缺陷疾病中，遗传错误很可能也会出现于病人的干细胞中，这样的干细胞不适于移植。的干细胞中，这样的干细胞不适于移植。n成人身上获得的干细胞可能没有年轻人的干细胞那样的增成人身上获得的干细胞可能没有年轻人的干细胞那样的增殖能力。殖能力。n由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的，日光和毒素由于日常生活中人是暴露在各种环境之下的，日光和毒素等都有可能造成基因突变，成体干细胞可能包含更多的等都有可能造成基因突变，成体干细胞可能包含更多的DNA异常等等。异常等等。iPS细胞（细胞（induced pluripotent stem cells）n2006年年Yamanaka发现，胚胎干细胞中存在一系发现，胚胎干细胞中存在一系列特异性表达的蛋白质，而当胚胎干细胞分化时，列特异性表达的蛋白质，而当胚胎干细胞分化时，这些蛋白表达减少。提出如果在小鼠体细胞内表这些蛋白表达减少。提出如果在小鼠体细胞内表达这些蛋白，或许能使体细胞转变为具有干细胞达这些蛋白，或许能使体细胞转变为具有干细胞全能性质的细胞。全能性质的细胞。n经过研究发现可使用病毒载体将经过研究发现可使用病毒载体将Oct4，Sox2，c-Myc和和Klf4等转录因子导入到小等转录因子导入到小鼠皮肤成纤维细胞，形成具有干细胞形态鼠皮肤成纤维细胞，形成具有干细胞形态的细胞群落。这些细胞群落具有的细胞群落。这些细胞群落具有SSEA，也，也通过畸胎瘤形成等其他干细胞指标检测，通过畸胎瘤形成等其他干细胞指标检测，充分证明了它们具有多能性。充分证明了它们具有多能性。nOct4，Sox2被证明是维持干细胞状态所必被证明是维持干细胞状态所必需的因子，而另外两个因子更多起到的是需的因子，而另外两个因子更多起到的是促进转化和抑制凋亡的作用。促进转化和抑制凋亡的作用。nOct4,Sox2,c-Myc、Klf4或或Oct4,Sox2,Nanog、Lin28 Oct4、Klf4或或c-Myc（神（神经细胞）经细胞）Oct4（鼠神经干细胞）（鼠神经干细胞）？n这一发现分别被这一发现分别被自然自然和和科学科学杂志评为杂志评为2007年第一和第二大科学进展。年第一和第二大科学进展。n2008.4，美国科学家将实验鼠皮肤细胞改造成，美国科学家将实验鼠皮肤细胞改造成iPS细胞，然后成功使其分化成心肌细胞、血管平细胞，然后成功使其分化成心肌细胞、血管平滑肌细胞及造血细胞。滑肌细胞及造血细胞。n2009.2，日本科学家宣布成功利用人类皮肤细胞，日本科学家宣布成功利用人类皮肤细胞制成的制成的iPS细胞培育出血小板，而且声称从技术上细胞培育出血小板，而且声称从技术上说用说用iPS细胞培育人类红细胞和白细胞都是可能的。细胞培育人类红细胞和白细胞都是可能的。n2010.6，美、日的三个研究小组分别实现了将人，美、日的三个研究小组分别实现了将人体血细胞转化为体血细胞转化为iPS细胞。细胞。iPS细胞与胚胎干细胞相比有很多优点：细胞与胚胎干细胞相比有很多优点：niPS细胞则由体细胞诱导产生，不存在来源的问题。细胞则由体细胞诱导产生，不存在来源的问题。niPS细胞取自病人组织，产生的是病人特异的干细胞，避免细胞取自病人组织，产生的是病人特异的干细胞，避免了免疫排斥反应。了免疫排斥反应。iPS细胞缺点：细胞缺点：nc-myc是原癌基因，此基因的失控会导致癌症的发生。是原癌基因，此基因的失控会导致癌症的发生。niPS小鼠存在明显的健康问题，死亡率很高。小鼠存在明显的健康问题，死亡率很高。n慢病毒载体的使用也会导致基因组的整合，诱发致癌危险。慢病毒载体的使用也会导致基因组的整合，诱发致癌危险。iPS在研究和应用上都面临着很多的挑战，解决这些问题将促在研究和应用上都面临着很多的挑战，解决这些问题将促进进iPS细胞在临床治疗中的研究及应用。细胞在临床治疗中的研究及应用。2014年年12月，针对月，针对“STAP细胞细胞”的相关调查认定，的相关调查认定，小保方晴子的小保方晴子的“万能细胞万能细胞”-“STAP细胞细胞”在制备过在制备过程中混入了胚胎干细胞（程中混入了胚胎干细胞（ES细胞）。细胞）。细胞衰老细胞衰老&细胞死亡细胞死亡衰老衰老（aging，senescence）n指在正常状况下生物发育成熟后，随年龄指在正常状况下生物发育成熟后，随年龄增加，自身功能减退，内环境稳定能力与增加，自身功能减退，内环境稳定能力与应激能力下降，各结构、组分逐渐退行性应激能力下降，各结构、组分逐渐退行性变，趋向死亡的不可逆过程。变，趋向死亡的不可逆过程。细胞衰老细胞衰老n个体衰老建立在细胞总体衰老的基础上，个体衰老建立在细胞总体衰老的基础上，各种衰老表现均有其细胞生物学基础。各种衰老表现均有其细胞生物学基础。n组成人体组织的细胞寿命有显著差异，保组成人体组织的细胞寿命有显著差异，保持