胚胎干细胞诱导分化机制及方法

1、【摘要】 胚胎干细胞是来源于附植前胚胎的内细胞团或附植后胎儿的原始生殖细胞具有发 育全能性的细胞。近年来在胚胎干细胞分化机制研究和定向诱导分化方面都有长足进展，但 其分化机制和定向分化的方法一直是人们需要解决的难点问题，本文主要就胚胎干细胞的定 向分化机制、方法及目前存在的问题等方面进行概括性论述。【关键词】 胚胎干细胞 诱导分化 机制 方法The study on mechanism and methods on induced differentiation of embryonic stem cellsLI Lin-feng,BAI Xiu-juan,GUAN Wei-jun.Institute of Animal Sciences,Chinese Academy of Agricaltural Sciences,Beijing 100094,China【Abstract】 Embryonic stem cell is a kind of undifferentiated pluripotent stem cell, which stems from preimplantatio

2、n ICM or early fetus primordial germ cell. The research about differentiation of embryonic stem cell has been a hotspot in medical field now, but the mechanism of differentiation and the directional differentiation have not known very well. Recently, there are dramatic developments in these fields, this paper elaborated the mechanisms differentiation on induced differentiation of embryonic stem cells, methods on induced differentiation of embryonic stem cells, questions on induced differentiatio

3、n of embryonic stem cells.【Key words】 embryonic stem cell; induced differentiation; mechanism; method自1981年英国的Evans等从小鼠囊胚的内细胞团(Inner cell mass, ICM)分离建立胚胎 干细胞(Embryonic stem cells，ES细胞)以来，ES细胞的研究就一直是各国研究的热点。近 两年，ES细胞分化诱导以及调控方面的研究取得了很多重要的进展，已从ES细胞诱导出神 经细胞、心肌细胞、血管和内皮细胞等。利用ES细胞的定向分化可望在基因研究、细胞治 疗和组织器官替代治疗等的研究中发挥重要作用。1 ES细胞定向分化的调节机制自1988年发现了白血病抑制因子能抑制ES细胞分化后，人们就开始研究其定向分化， 通过将外源基因转入ES细胞研究其表达及微环境对细胞分化的影响，认为ES细胞的分化受 内源性因素和外源性因素的共同调节。分化机制如下。1.1 内源性影响因素 内源性因素即不同基因在不同时间和空间的开启和关闭及各种 转录因子等。从分子水平来看，ES细胞分化的本质问

4、题是基因表达调控。1.1.1 基因的差异表达 在个体发育中，基因按照一定程序，有选择地相继活化的现象 称为基因的差异表达。在胚胎发育过程中所以能相继分化出各种新类型细胞，就是由于相关 基因相继活化而合成特异蛋白质的结果。Cross等1研究证明细胞定型时是通过强化某些 基因的表达并抑制另一些基因的表达来形成某个单一谱系所特有的基因表达型。如缺乏干细 胞白血病转录因子的ES细胞不能分化为血细胞和内皮细胞共同的前体细胞。1.1.2基因的不同表达水平 有些基因如0ct-4基因和Nanog基因等在体内通过不同的 表达水平来调控ES细胞的分化。1.1.2.1通过Oct-4基因的不同表达水平调控ES细胞分化 Oct-4基因是ES细胞的一个 特异标志分子。 0ct-4 是一种调节性基因，它的职责是控制其他基因的表达。无论是在体内 还是体外，Oct-4基因只在全能或多能性细胞如ES细胞和EG细胞中表达。Oct-4基因的敲除 使小鼠胚胎不能形成ICM，而完全由滋养外胚层组成，并在植入时死亡。RNA干扰实验显示 Oct-4表达下调引起ES细胞分化，形成滋养层或内胚层，说明Oct-4基因在维持胚胎细胞的 发育

5、全能性和ES细胞不分化状态的调节中起着重要的作用。Niwa等2研究发现，Oct-4 不同的表达水平指导ES细胞的3种不同命运，即Oct-4表达上调2倍使ES细胞分化为原始 内胚层细胞，Oct-4表达下调使ES细胞分化为滋养层细胞，Oct-4表达水平不变才能使ES细 胞维持不分化状态。因此，Oct-4被视为多能细胞发动、维持及分化的主要候选调控因子。1.1.2.2 Nanog基因维持ES细胞的不分化状态 近年来在确定维持ES细胞不分化状态 相关基因方面最大进展也许是Nanog基因的发现3。Nanog基因仅在ES细胞中特异表达， 在分化的ES细胞和体细胞中不表达；Nanog基因缺陷的ES细胞失去多能性，开始分化；导 入了 Nanog基因的ES细胞株在LIF拮抗剂存在时仍能保持30%的不分化ES细胞。Nanog在 桑葚胚等全能胚胎中不表达，仅在囊胚期的 ICM 中表达，之后限制在晚期囊胚的外胚层表 达，胚胎植入后Nanog的表达迅速降低。体内实验还表明Nanog基因缺陷的胚胎仅包括一 些不能辨认的胚外组织，而没有外胚层或胚外外胚层。这些结果提示Nanog是Oct-4基因启 动后维持内细胞团全

6、能性所必需的。 Nanog 的作用机制目前尚不清楚。 Nanog 基因只在 ES 细胞中发挥作用，在其他干细胞中则处于休眠状态，如果能够找出某种方法激活该基因，成 体干细胞也许就能再次成为ES细胞。1.1.3 奢侈基因 某些基因对细胞自身生存并无直接影响，不是必需的，但却决定着细 胞向特殊类型分化的物质基础。如编码肌细胞肌球蛋白的基因，编码结缔组织的胶原蛋白的 基因等。Michael等4利用心肌细胞-肌球蛋白重链的启动子转染ES细胞，结果获得了 99% 的心肌细胞。1.1.4拯救因子和免疫“豁免”特权 研究人员发现ES细胞能够分泌出特殊的“拯救 因子”来逆转小鼠的致死性的先天缺陷。尽管很少有干细胞真正长成健康的心脏组织，但研 究人员发现干细胞能够分泌出特殊的分子，这些分子能发出信号给临近的心脏细胞从而修复 先天缺陷器官的功能。另一个研究成果表明人类ES细胞具有独特的免疫“豁免”特权。实 验证实在小鼠活体内移植的未分化人类ES细胞不会引起移植排斥的特定免疫反应，这项研 究对人类ES细胞移植治疗具有重要意义。1.1.5细胞质在细胞分化中的作用细胞质对ES细胞的分化方向起决定性作用。调节 基

7、因差异表达的物质存在于细胞质中。每个子细胞所继承细胞质的差异决定了各子细胞沿特 定的方向分化。1.2 外源性因素 外源性因素指细胞间的分化诱导、分化抑制作用及细胞外物质的介 导作用等。细胞内基因表达的调控作用是ES细胞发生分化的决定因素。但细胞所在的环境 条件对ES细胞的分化也有重要影响。1.2.1 细胞间的分化诱导 细胞间的分化诱导是指一部分细胞对邻近细胞产生影响，并 决定邻近细胞分化方向及形态发生的过程。诱导分化的机制还不清楚，可能与信号传导有关。 如：hES细胞与鼠骨髓基质细胞系S17细胞或卵黄囊内皮细胞系C166细胞共培养，在添加 胎牛血清的条件下，hES细胞可分化为CD34+的造血祖细胞。1.2.2 细胞间的分化抑制 细胞间的分化抑制是指在胚胎发育中，已分化的组织细胞产 生抑素，抑制邻近细胞进行同样分化以避免相同的器官重复发生或过度发育。如：把发育中 的蛙胚置于含成体蛙脑碎片的培养液中一起培养，胚胎则不能发育成正常脑。1.2.3 细胞外物质的介导作用 细胞外物质的介导作用分近距离与远距离两种，起近距 离介导作用的主要是细胞外基质与黏附分子，起远距离介导作用的主要是激素与细胞因

8、子等 目前研究最多的是生长因子，生长因子可诱导hES细胞在体外分化，但没有一种生长因子能 诱导hES细胞定向分化为一种特定细胞。生长因子仅仅是增加某一种类型细胞的相对数量。 Schuldiner等5研究了 8种生长因子对hES细胞的诱导分化作用，发现：苯丙酸诺龙和转 化生长因子B1主要诱导中胚层细胞形成；维甲酸、血管内皮生长因子、骨形态生成蛋白4 和碱性成纤维生长因子主要诱导外胚层和中胚层细胞的形成；神经生长因子主要诱导三胚层 所有细胞的形成。2 ES细胞诱导分化的一般方法ES 细胞的诱导分化是目前研究的热点，人们通过不同的途径来实现这个目的。目前主 要包括：外源性生长因子诱导ES细胞分化、转基因诱导ES细胞分化、通过将ES细胞与其 他细胞共培养的方式诱导ES细胞分化等。2.1外源细胞生长因子诱导ES细胞分化 在体外诱导ES细胞分化方面，对细胞因子 诱导法研究的最为广泛和深入，获得的研究成果到目前为止也最多。体外培养下， ES 细胞 对细胞因子具有依赖性。培养过程中添加或撤除某一种或某些细胞因子可指导ES细胞的增 殖或分化。目前在发育学方面研究比较深入的诱导因子主要有：维甲酸(reti

9、noic acid，RA)、 骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins， BMPs)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors，FGFs)等。利用细胞因子诱导ES细胞朝一定方向分化时，一般采用分阶段 的办法，即先得到类胚体(embryoid bodies， EBs)，再在EBs的基础上进一步诱导使其分化 为目的细胞。在各阶段添加的细胞因子不同，具体表现为细胞因子种类、浓度或组合的不同。 目前利用此法，国内外学者已得到多种目的细胞，如：造血细胞、心肌细胞、神经细胞等。2.1.1 RA诱导ES细胞分化RA系维生素A的衍生物，它可以影响脊椎动物的发育和 许多类型细胞的分化。RA不但可以通过经典的信号转导途径诱导ES细胞分化，还可以抑制 LIF 信号促进 ES 细胞分化。 RA 常被用来进行诱导多潜能干细胞向神经细胞分化的研究。 Strbing等6研究显示,BLC6和D3 ES细胞自发分化产生的神经细胞只占EB的15%30%, 而用RA处理后EB中几乎全部细胞分化成神经细胞。Schuldiner等7证实，用高浓度RA (10-6M)诱导人ES细胞产生的神经细胞比未用RA处理的增加22% (76%:54%)。目前RA 诱导 ES 细胞分化产生神经细胞的机制仍未阐明。已有报道指出， FGF 信号通路在多种生物 的胚胎神经发育过程中起关键作用8。Wilson等9也证实，FGF信号可以通过抑制BMPs 表达，从而促进胚胎发育产生神经细胞。此外， Ying 等10发现， FGF 信号是 ES 细胞发 生神经特异性分化所必需的。这些研究提示我们，RA诱导ES细胞向神经细胞分化的机制可 能与 FGF 信号有关。2.1.2 BMPs诱导 ES细胞分化 BMPs是转化生长因子 B (transforming growth factor B, TGF-B )超家族成员中最大的一族，通过调节多种基因活性，对中胚层形成、左右对称、神 经系统发生、体节和骨骼发育、肢体形成及肾、胃肠、肺、牙齿的发育等基本过程产生影响。 BMPs家族中，BMP-2和BMP-4在诱导ES细胞分化中发挥着重要作用。Krame

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