干细胞分化调控机制
摘要：干细胞的发展引起了当今世界各界的强烈关注。
我们将有可能利用干细胞所有的潜力去治疗遗传性或目前无法治疗的疾病,但在干细胞被用于治疗之前,必须认识和掌握调节干细胞保持为干细胞或引导其特殊分化途径的调控机制,本文对干细胞的微环境及分化调控机制作一综述。
关键词：干细胞；分化调控；应用前景
由于干细胞在白血病、老年性痴呆症、糖尿病等多种疾病的治疗以及动物克隆等方面显示出巨大的应用前景,干细胞研究已经成为当今生命科学领域的热点。
干细胞能够用于某些疾病的治疗,是因为干细胞具有多种分化潜能,它定向分化产生的后代细胞能够取代病变组织的细胞。
因此,阐明干细胞如何在保持自我更新的同时又能产生新的组织及其调控机制是理解多细胞生物体发育的关键,也是利用干细胞治疗人类疾病的基础。
1干细胞的概念
干细胞(Stem Cell)是一种具有自我复制功能和多分化潜能的早期未分化细胞。
在特定条件下,它可以分化成不同的功能细胞,形成多种细胞和器官。
干细胞是个体发育和组织再生的基础。
2干细胞的分类
干细胞按生存阶段顺序分为胚胎干细胞和成体干细胞。
2.1胚胎干细胞(Embryonic stem cells,ES细胞)
胚胎干细胞具有全能性,可以自我更新并有分化为体内所有组织的能力。
受精卵分裂形成一个称为囊胚(blastocyte)后,囊胚内部一端的一个”内细胞群”(innercellmass)是一群具有全能分化能力的细胞,它们在胚胎发育过程中,进一步
分化为内胚层、中胚层和外胚层,并最终分化为不同的组织、器官,成为一个完整的人体。
将这种内细胞群分离取出,在体外进行培养,就成为”胚胎干细胞”。
因此胚胎干细胞是受精后胚胎内细胞团的衍生物。
这类干细胞分化潜能宽，具有分化为机体任何组织细胞的能力。
如囊胚期内细胞团的细胞。
在体外培养扩增时，经遗传操作、选择和冻存，均不失其全能性，在不同生长条件下具有不同的功能状态。
2.2成体干细胞(Adultstemcells)
成年动物的许多组织和器官,始终保留着一部分未被分化的干细胞,即成体干细胞,如造血干细胞、表皮细胞等。
过去认为成体干细胞具有组织特异性,只能分化成特定的细胞或组织,是一些定向细胞。
1999年以后,这一观点受到了挑
战,Bjornson等人的研究发现成熟组织中分离的干细胞在特定微环境下具有向其他组织类型细胞分化的潜力,如造血干细胞具有向骨、肌肉、肝细胞、神经细胞转变的潜力,而神经干细胞也可以转变为血细胞。
研究提示:不同胚层起源的成体干细胞在一定的条件下可相互转化,它们是在特定微环境中存在的适度分化的细胞,并能在不同环境中显示更多的潜在基因型,具有向其它组织类型的细胞分化的潜力,即不同的干细胞可以发生分化“命运”的转变(横向分化能力)。
3 胚胎干细胞分化调控机制研究
ES细胞分化实质是胚胎发育过程中特异蛋白质的合成。
而任何特异蛋白质都是由它相对应的特异基因所决定,细胞分化可归结为基因组中特定基因按一定顺序相继活化和表达。
ES细胞能够在机体外保持未分化状态是因为有分化抑制因子的存在,如LIF、DIA等。
在缺乏分化抑制因子的条件下,ES细胞分化为各种细胞。
ES细胞定向诱导分化的途径可概括为三种:细胞/生长因子诱导法、转基因诱导法及细胞共培养法。
3.1 细胞/生长因子诱导法
细胞/生长因子诱导ES细胞分化法主要的因子包括维甲酸(RA)、骨形态发生蛋白(BMPs)、成纤维细胞生长因子(FGFs)等。
RA是一种强烈的神经分化诱导剂,它主要通过细胞表面受体RA受体起作用。
RA受体有两类:RARs和RXRs,但具
体通过那种受体起作用尚不清楚。
Wilson等证实,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,Xu等研究证明BMP-4可以诱导人ES细胞分化。
越来越多的研究证明多种细胞因子共同作用促进ES细胞定向诱导分化的效率更高,只要在应用这些因子组合时确保它们的诱导分化方向一致。
3.2 转基因诱导法
转基因诱导ES细胞分化法利用某种合适的病毒作为载体将需要的细胞/生长因子的基因导入ES细胞中,在细胞内诱导产生因子,从而诱导该细胞分化,诱导产生的细胞较单纯用该因子诱导产量高,纯度好。
也可将某些信号转导因子的基因转入ES细胞中,可以有效的诱导ES细胞特异分化TsudaH等利用腺病毒-5载体(Adv-F/RGD将人骨形成蛋白-2(BMP2)基因导入人骨髓间充质干细胞(hMSC)中,结果发现导入该基因后增加了hMSC在体外的成骨活性,并且在异位模型中,导入BMP2的hMSC在1周后诱导生成的新骨较其它组多。
3.3 细胞共培养法
Kauf-man等[5]证明人ES细胞与鼠骨髓细胞系S17或卵黄囊内皮系C166共培养,可促进人ES细胞向造血前体细胞分化。
Mummery等[6]将人的ES细胞与鼠血管内胚层样细胞(END-2)共培养,诱导出心肌细胞。
4干细胞的可塑性
越来越多的证据表明,当成体干细胞被移植入受体中,它们表现出很强的可塑性。
从一种组织分离出的干细胞可以分化为各种不相关的细胞类型。
例如,目前的动物实验表明,神经干细胞可分化成为造血细胞系。
与之相似,源于骨髓的干细胞可分化为某些非造血细胞类型,如包括骨骼肌、大脑的小神经胶质细胞和星形神经胶质细胞和肝细胞。
这些结果增加了采用骨髓移植治疗各种疾病如肌营养不良、帕金森病、卒中和肝衰竭的可能性。
干细胞可塑性最为显著的证据为来自于动物的克隆实验。
1997年英国的研究人员,通过将乳腺细胞核导入到卵母细胞,克隆出Dolly羊。
随后采用类似的技术克隆出小鼠、牛和猴。
这些实验表明,终止分化的细胞核可重新按程序形成全能细胞。
如先从治疗病人身上获取少量分化的细胞,在体外生成特殊类型的治疗干细胞再移植入病人体内,这样就可避免细胞的免疫排斥反应。
5 干细胞分化调控机制的启发
今后,干细胞治疗研究的方向是,从不同的终分化器官中识别、分离出干细胞,并诱导出产生治疗所需的细胞,就有可能以干细胞替代受到损害的心肌细胞和神经元;开发细胞核转导技术,以体细胞核生成的干细胞分化以替代损害的组织已丧失的细胞;开发与基因治疗相结合的方法,如对于由于基因突变导致的功能障碍器官,通过采用适合的干细胞、表达正常的基因及将它们返回到机体中以再生出完整的器官。
总之,成熟干细胞和已分化的细胞的可塑性的意外发现和人胚胎干细胞的分离,已展示出以细胞为基础、临床治疗的潜力。
然而,干细胞治疗,像基因治疗一样,还处于婴儿期。
如何分离和培养人干细胞;如何在体内和体外激活干细胞的潜能;如何控制干细胞的分化(反分化);如何诱导干细胞的定向分化等问题还需要逐步进行研究。
不过,使用自体干细胞治疗获得性疾病和先天性涉及组织变性和细胞功能障碍的疾病有着巨大的前景。
6 细胞混合培养启发
混合细胞培养又称协同培养(coculture)，系指两种或多种细胞在同一个培养容器内，同样的培养条件(如培养液、培养温度等)下进行混合培养。
根据实验不同的要求，可采用不同种类的敏感细胞，以细胞合适的比例进行混合培养。
细胞混合培养在组织工程、细胞工程、基因工程等方面，研究不同细胞混合培养都具有很重要的意思，尤其是在制造组织工程材料、检测细胞间相容性、研究细胞间相互刺激作用、建立体外生物模型、基因表达变化和相应的细胞表型表达等方面有很大的作用。
参考文献
[1]叶寒青,陈松林.动物胚胎干细胞诱导分化的研究进展.生物技术通报,2003,(6):1～4.
[2]Wilson S I,Glaziano E,Harl and R,et a1.An early requirement for FGF signaling in the acquisition of neural cel l fat e i n t he chi ck embryo.Curr Bi ol , 2000,10:421～429.
[3]李吉霞, 王新庄, 金立方, 等. 胚胎干细胞体外诱导分化的研究进展. 中国兽医技,2004,34(6):40～43.
[4]纪家武, 王玮. 神经干细胞诱导分化的研究进展. 解剖与临床, 2004,9 (4): 286～288.。