干细胞与细胞工程Stem cells and cell

engineering

细胞分化的实质是细胞按照一定的程序发生的差别基因表达

• 在人类基因组中，拥有 2 万多个基因，但只有 3% 左右的基因表达，此外 97% 大多是控制基因表达的调控序列。

• 在每个细胞中，每个具体基因的“打开”（转录）和“关闭”（不转录）状态，正是由 97% 的调控序列和细胞外部环境共同决定的，不同的细胞拥有不同的基因表达谱，从而导致了细胞的不同表型，也就是说产生了细胞的分化。

特征 坏死 凋亡

刺激毒素、严重缺氧、严重损伤和缺乏 ATP 的病理情况

无缺乏 ATP 的生理和病理情况

能量需求 不 依赖 ATP

形态学 细胞肿胀、细胞器破裂、组织斑片状死亡

染色质浓缩、胞膜及细胞器相对完整，细胞皱缩，核固缩，形成凋亡小体

DNA 断裂类型 随机大小碎片 DNA 片段化 (180-200

bp), 电泳呈梯状条带炎症反应 炎症 非炎症分子机制 无基因调控 基因调控的有序反应

胚胎细胞的分化潜能

受精卵 细胞团 囊胚 胎儿 成体

全 能 totipotency如受精卵

多 能 Pluripotency如胚胎干细胞

专 能 multipotency如造血干细胞

• 全能干细胞 (totipotent stem cell)

• 多能干细胞 (pluripotent stem cell)

• 专能干细胞 (multipotent stem cell 或 committed stem cell)

一、干细胞（ stem cell ）

是一类具有自我复制能力 (self-renewing) 的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。

• 全能干细胞 : 具有发育全能性的早期胚胎细胞，如处于 8 细胞期之前的每一个胚胎细胞（包括受精卵），这种状态的任何一个细胞植入子宫后，都可以发育为一个完整的个体；

• 胚胎干细胞 (embryonic stem cell ， ESC) ：存在于早期胚胎中，具有多能性分化潜能，可以分化为胚胎或成体的各种细胞类型的细胞，同时又可保持不分化状态持续生长的一类克隆细胞系。

• 着床前的内细胞团（ inner cell mass ， ICM ）来源的胚胎干细胞 (embryonic stem cell ， ES 细胞 );

• 原始生殖细胞（ primordial germ cell, PGC ）来源的胚胎生殖细胞 (embryonic germ cell ， EG细胞 )

• 畸胎瘤来源的胚胎癌细胞 (embryonic carcinoma cell ， EC 细胞 ) 。

Pluripotent stem cell

ESC and ECS

• 专能干细胞：存在于成熟个体各种组织器官中的干细胞，具有自我更新能力，但通常只具有分化为参与相应（或相邻）组织器官组成的“专业”细胞 .

如各种成体干细胞（ adult stem cell 或 somatic stem cells ）。。

( 一 ) 干细胞的基本特征

（ 1 ）干细胞的形态和生化特征• 形态特征 干细胞通常呈圆形或椭圆形，

体积较小，核质比例较大。根据其形态学特征和存在位置可以辨认不同的干细胞，但也有很多干细胞的存在部位仍未确定，且没有与分化细胞截然不同的形态学特征。

• 生化特征 较高的端粒酶活性，这与其增殖能力密切相关。不同的干细胞可能具有各异的生化标志，为确定干细胞位置、寻找和分离干细胞都具有重要意义。

毛囊中表皮干细胞：角蛋白 15 ； 神经干细胞： nestin ； HSC: CD34+CD71-HLA-DR-CD38-.

（ 2 ）干细胞的增殖特征

• 缓慢性 干细胞的增殖速度通常很慢。但当机体需要时，它可以进入分化过程，以适应组织器官的生长、发育或修复的需要。

• 自我更新的能力 self-renewing ，维持其自身数目的恒定，是干细胞的基本特征之一。

（ 3 ）干细胞的分化特征

• 多能性 干细胞具有多方向的分化潜能，但不同的干细胞具有的分化潜能不同。

• 可塑性 干细胞分化的可塑性（ plasticity ），是指干细胞在适当的条件下，可以发生转分化 (transdifferentiation) 和去分化 (dedifferentiation) 的现象。

评价 ES 细胞多潜能性的实验

• 类胚体（ embryoid body, EB ）实验

• 畸胎瘤实验

• 嵌合体试验 证明 ES 细胞具有多潜能分化能力的金标准

（ 4 ）干细胞增殖与分化的微环境

• 在高等脊椎动物中，干细胞生存的微环境对维护干细胞的自我更新及其分化命运方面至关重要。干细胞在机体组织中的居所称为干细胞巢 (stem cell niche) 。一般认为，干细胞巢是由干细胞及其外围细胞，以及其增殖分化调控相关因子所组成的，具有动态平衡特性。

主要包括以下 3 个方面。分泌因子；细胞间相互作用；整合素和胞外基质。

hES 细胞研究的生物医学意义 • 对人类生殖发育、细胞分化、器官生成而

且对人类疾病的发生、损伤修复、组织器官的再生和疾病防治都具有及其深远的理论和实际意义。

( 二 ) 干细胞研究的生物医学意义

1. 揭示人及动物的发育机制及影响因素

1 ）人胚胎细胞系的建立及人胚胎干细胞研究，可以帮助我们理解人类发育过程中的复杂事件，使人深刻认识数十年来困扰着胚胎学家的一些基本问题，促进对人胚胎发育细节的基础研究。

2 ）人胚胎干细胞的体外可操作性，可以一种伦理上可接受的方式，提供在细胞和分子水平上研究人体发育过程中极早期事件的方法。

  2. 药学研究方面

• 胚胎干细胞系可分化为多种细胞类型，可模拟体内细胞与组织间复杂的相互作用，这在药物研究领域具有广泛的用途。

如开展药物筛选、药理作用和毒性试验，大大减少了药物检测所需动物的数量，降低了成本。

3. 细胞替代治疗和基因治疗的载体

• 胚胎干细胞最诱人的前景和用途是生产组织和细胞，用于“细胞疗法”，开展细胞移植。

如用神经细胞治疗神经退行性疾病 (帕金森病、亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病等 ) ，用胰岛细胞治疗糖尿病，用心肌细胞修复坏死的心肌等。

• 基因治疗最理想的靶细胞。用遗传改造过的人体细胞直接移植或输入病人体内，达到控制和治愈疾病的目的。

• 最理想阶段：体外进行“器官克隆”以供病人移植。器官培养工业化，解决供体器官来源不足的问题；使器官供应专一化，提供病人特异性器官。

(三 ) hES 细胞研究的伦理学挑战

• hES 来源于流产的胎儿和体外受精制造的 胚胎。 伦理道德问题：人胚胎干细胞的来源是否

合乎法律与道德；其应用是否会引起伦理及法律问题。

• 大多数西方国家都采用英国议会通过的“十四日胚龄的胚胎里人的生命开始” 的观点。理由是这个时候的胚胎已不再是游动的、随时都可能流失的孕卵，而是已经着床的、具备了发育成一个个体的所有条件的胚胎，也就是所谓的具有了“生物学的个体性” (“Biological lndividuality”) 。

• 另一种说法是人的生命的开端和终结是以神经系统的发育为标准，两周的胚胎已有可能分化出神经细胞，也就意味着人生命的开始。相对地，脑死亡则被定义为生命的结束。因此，十四日胚龄前的胚胎不算人，作为实验研究的材料是不违背伦理准则的。

• 很多人认为受精卵就是人的生命，损害任何发育阶段的胚胎都是扼杀人的生命，剥夺人的生存权利。

• 不同的宗教教义对生命也有不同看法，天主教认为受精卵即是生命的开始，未出世的胎儿与出生的婴儿享有同样的生存权，伊斯兰教则认为灵魂是在怀孕后 40天到 120天期间进入体内的，这才算是生命的开始，东正教则认为出生才是人的生命的开始。

SCNT ( Somatic cell nuclear transfer)SCNT ( Somatic cell nuclear transfer)

Stem cells published online Jan 17,2008

DollyDolly

Wilmut,I,et al. Nature Wilmut,I,et al. Nature 1997, 385:810-813.1997, 385:810-813.

Dolly ：除了生殖细胞外，高度分化的体细胞也可在一定条件下恢复多能性甚至全能性状态并发育为完整的新个体，揭示了生命是一个生生不息的循环，所有的表观遗传修饰标记可以被抹去，“归零”回复到原始状态，从而展开全新的发育历程。

重编程（ Reprograming ）：分化的细胞在特定的条件下被逆转后恢复到全能性状态，或者形成胚胎干细胞系，或者进一步发育成一个新的个体的 现象。

“治疗性克隆”

人类治疗性克隆human therapeutic cloning

将病人皮肤细胞移植到人类卵母细胞中，获得的胚胎在囊胚阶段时被破坏，获取病人个体特异的胚胎干细胞，在体外扩增培养并诱导分化后注射回病人体内进行治疗，可以排除免疫排斥的问题。

iSCNT ( Interspecies somatic cell nucleiSCNT ( Interspecies somatic cell nuclear transfer)ar transfer)

诱导多能干细胞（ induced pluripotent stem cells, iPS cells ）是利用病毒载体将四个转录因子（ Oct4, Sox2, Klf4 和 c-Myc ）的组合感染小鼠胚胎成纤维细胞，经筛选获得的细胞克隆 , 其形态与生长特性都与胚胎干细胞十分类似，并且表达 ES 特异细胞标志。

----日本京都大学 Shinya  Yamanaka

(四 ) iPS技术

• iPS 技术的应用有望完全解决伦理学问题 !!!

The milestones of iPS

Yamanaka’s Yamanaka’s team: mouse team: mouse Fbx15-iPSFbx15-iPS

2006

2007-11

2007-6

. . .Yamanaka’s and JaYamanaka’s and Jaenisch’s teams: mouenisch’s teams: mouse Nanog/Oct4-iPSse Nanog/Oct4-iPS

Yamanaka’s and Yamanaka’s and Thomson’s team: Thomson’s team: human iPShuman iPS

More…More…

A) Modified BAC construct. Black boxes indicate the open reading frame.

B) GFP expression in Nanog-GFP transgenic mouse embryos.

C) Generation of iPS cells from MEFs of Nango-GFP-IRES-Puror transgenic mice

Yamanaka’ Lab: Nature 2007, Vol 448: 313-317

D) Teratomas.

E) Germline chimaeras from Nanog iPS cells.

Keisuke Okita, et al. Nature 2007, Vol 448: 313-317.

Mao B

DAPI SSEA-1 Merged Oct4Bright field

3F-1

3F-2

2F-2A

2F-2B

Chimeras

iPS cells from other species

Generation of induced pluripotent stem cell lines from adult rat cells

Cell Stem Cell. 2009 Jan 9;4(1):11-5. Epub 2008 Dec 18

Generation of rat and human induced pluripotent stem cells by combining genetic reprogramming and chemical inhibitors

Cell Stem Cell. 2009 Jan 9;4(1):16-9. Epub 2008 Dec 18

Generation of induced pluripotent stem cells from adult rhesus monkey fibroblasts

Cell Stem Cell. 2008 Dec 4;3(6):587-90

Disease-specific iPS cells

In-Hyun Park et al. Cell 134, 1–10, September 5, 2008

Disease-Specific Induced Pluripotent Stem Cells

Nature. 2009 Jan 15;457(7227):277-80. Epub 2008 Dec 21.

Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient

Induced pluripotent stem cells generated from patients withALS can be differentiated into motor neurons

Science. 2008 Aug 29;321(5893):1218-21. Epub 2008 Jul 31

Rudolf Jaenisch group (December, 2007)

First Demonstration of mouse iPS cell-based therapy

( 五 ) 癌干细胞（ cancer stem cell ）

• 可能的定义The cells are defined functionally, specifically referring to tumor cells with unlimited renewal potential capable of forming tumors in immunodeficint mice.

K Polyak and W C Hahn. Nature Medicine 12(3):296-300, 2006

癌干细胞不同于正常的干细胞

M Al-Hajj （ 2003 ） , et al. 分离和鉴定了乳腺癌组织中的癌干细胞

以 Lin ， ESA ， CD44 ， CD24 等为标志， 单独或联合分离， 移植实验

1) 表面标志为 Lin-ESA+CD44+CD24-/LOW 的细胞（仅占 2% ）可以产生癌

2 ）在癌组织中仍有 Lin-ESA+CD44+CD24-/LOW 细胞组分的存在（表明可以更新）

肿瘤干细胞开始引起了广泛关注

关于癌干细胞起源的推测

- 肿瘤组织中通常含有多种类型的细胞

慢增殖的干细胞，快增殖的过渡细胞，分化细胞

- 癌干细胞可有与正常干细胞相同的信号传导通路 WNT, ß-catenin, PTEN, TGG- ß, Hedgehog, Notch, Bmi-1

• 癌干细胞研究的意义

1 、肿瘤治疗传统思路的改变

寻找对癌干细胞有特异性杀伤作用的肿瘤治疗药物

2 、对肿瘤耐药性机制的认识

耐药性相关转运通道可以将药物泵出细胞

二、细胞工程 （ cell engineering ）

应用细胞生物学和分子生物学方法，在细胞水平上进行的遗传操作，其目的是改造遗传性状，获得细胞产品、药品或医用生物材料的综合技术。

细胞培养 (cell culture) ：在无菌条件下，从机体中取出组织或细胞，模拟机体内正常生理状态下生存的基本条件，让它在培养器皿中继续生存、生长和繁殖的方法。可分为原代细胞培养和传代细胞培养。

获取组织 获取细胞 细胞生长 细胞传代

原代培养 传代培养

原代培养

传代培养

细胞系 (cell line) ：原代细胞经首次传代成功后的细胞。分为有限细胞系和连续细胞系

细胞株 (cell strain) ：从一个生物学鉴定的细胞系中用单细胞分离培养或通过筛选的方法由单细胞增殖形成具有特殊性或标志的细胞群。

目前生物工程所涉及的主要方面 基因工程 酶工程 发酵工程 蛋白质工程 细胞工程٭

微生物细胞工程植物细胞工程动物细胞工程

现代生物工程

动物细胞工程所涉及到的研究领域

• 生产医用蛋白• 生产基因工程动物• 核移植与动物克隆• 组织工程• 细胞治疗

基因工程小鼠

• 通过遗传工程的手段对小鼠基因组的结构进行人为的修饰或改造，并通过相应的动物育种技术，获得修饰改造后的基因组在世代间得以传递和表现的工程小鼠。

正常动物基因组

引入病毒基因组 模拟病毒性疾病的发病过程，进行药物有害型和有效性评价

引入药用蛋白基因生产药用蛋白

引入靶 DNA 研究目的基因的功能

1. 转基因动物

超级小鼠（ supermouse ）

表达绿色莹光蛋白（ GFP ）基因的转基因小鼠

组织特异性表达报告基因 LacZ 的转基因小鼠

将外源 DNA 注射入受精卵的雄原核内

Micromanipulator system for transgene

去除特定的内源基因

2. 基因剔除（ Knockout ）小鼠

正常动物基因组

研究相应的功能丧失

定时定点去除特定的内源基因建立特定基因缺陷型小鼠品系，作为医药研究的动物模型

组成型基因剔除小鼠

诱导型基因剔除小鼠

基因剔除 (knock-out) ：建立在基因同源重组技术基础以及胚胎干细胞技术基础上的一种新分子生物学技术。

同源重组（ Homologus Recombination)

• 一般是指发生在非姐妹染色单体之间或同一染色体上含有同源序列的 DNA 分子之间或分子之内的重新组合。

• 基因同源重组是指当外源 DNA片段与宿主

基因片段同源性强并互补结合时，结合区的任何部分都有与宿主的相应片段发生交换 (即重组 ) 的可能。

Knockout 小鼠建立过程

3. 核移植与动物克隆

核移植：取核（ A/B ） ---移入新核（ C/D ）

核移植与动物克隆过程

克隆牛之父” ：杨向中。1999 年， 13岁高龄母牛耳朵上取出的细胞克隆出小牛艾米。

复习思考题

名词解释：干细胞、重编程、细胞工程、细胞培养、原代培养、传代培养、细胞系、细胞株、基因工程小鼠

问答题：干细胞的基本特征及其在生物医学上的意义 ?

预祝同学们取得好成绩 !