体细胞干细胞研究进展

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日期: 2003-11-18 今日/总浏览: 1/981
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" R: u% X7 T5 @; p# X' v摘要：综述目前研究较多的5种体细胞干细胞各自的生存小环境及生化特性，阐述体细胞干细胞生存小环境对干细胞的影响及体细胞干细胞的可塑性，展望了体细胞干细胞在人类医学上的应用前景。4 z) m( X+ |" I) S
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关键词；体细胞干细胞；造血干细胞；上皮干细胞
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8 ^, @7 K. U1 y4 e" E2 Y; f0 S9 K胚胎干细胞研究从1981年Evans等建立小鼠干细胞系到1998年人胚胎干细胞系的建立，研究已达到顶点，但是利用人类胚胎干细胞进行医学研究工作尚存在伦理学方面争议，解决这些医学问题的另一途径，是可以利用成年动物体内存在的体细胞干细胞。
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9 ?2 r. i& t- {, c) _" m1、体细胞干细胞及其生存范围. R* y* V: A! k" x$ ^
不仅胎儿和发育阶段个体体内存在干细胞，已成熟的动物体内也存在干细胞。已知的体细胞干细胞有20多种，有些干细胞在其组织中可能没有特定的活动范围，如骨骼肌受伤时的再生。当骨骼肌受伤时，静止期的卫星细胞接触肌纤维束后被激活，短期内能快速增殖，之后融合形成分化的肌管以修复受损的肌纤维（Miller，1999）。多数体细胞干／祖细胞位于特定区域，在那里获得许多内外在信号确定其分化方向。定位及分析干细胞活动范围，解释特定发育过程的分子机制，对理解干细胞定向分化的调控是非常关键的。成年体组织中研究较多的有以下5个干细胞区。. i$ {9 J' z& \" P
1．1上皮子细胞活动范围: k' t+ B& X4 {. T# f: f8 p
表皮基底层细胞是表皮的干细胞。基底层细胞能周期性地退出细胞周期，形成分化细胞，不断向皮肤浅层推移，以补充皮肤表面脱落的细胞。人的表皮每2～3周就能更新1次，而每个短期增殖的细胞在其分化前只能分裂3～6次，这样表皮子细胞自我更新的能力是很大的。' E! G' w; y2 w: ]
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部位。毛囊膨大部细胞能再形成上皮修复破坏的表皮。体外试验结果证明，膨大部细胞有1个长细胞周期，体外培养能形成大量毛囊角质形成细胞，当膨大部细胞与真皮乳头细胞结合时，它们能重新形成有活力的毛囊。这些证据进一步支持毛囊膨大部是皮肤干细胞存在区域（Johnes，1995）。体外培养人的1个毛囊干细胞，能产生1．7×10<sup>38</sup>个子细胞，可完全覆盖人的体表（Rochat，1994）。* l0 S+ J' `/ d# F
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1．3小肠表皮
  D$ W  t' e; V, V& k* k小肠由绒毛组成，绒毛周围为小肠隐窝（即肠腺）。肠腺植入小肠壁。每个肠腺约含250个上皮细胞，其中包括补充肠绒毛的干细胞区。肠子细胞还能形成基底部的潘氏细胞，潘氏细胞能会成和分泌抗微生物肽，消化酶和生长因子。
& G4 f$ ?2 a% G& @2 V. u小肠子细胞也依靠（固有层）间充质细胞刺激来维护其生存和分化。小肠上皮2～4d完全更新1次，说明小肠干细胞自我更新能力也是很大的。9 ]1 z8 u$ N1 D% G9 e
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1．4大脑中的神经多能干细胞2 h2 e5 t* ]) h' f8 i% n
Reynold（1992）在分离成年小鼠侧脑室的神经组织进行体外培养时发现，当培养液中加EGF诱导其增殖时，能够得到神经球状结构，神经球能自发分化形成星形胶质，少突神经肥胶质细胞和神经递质神经元，神经球的克隆发生及其能形成多种神经细胞类型表明在成年哺乳动物脑室区或室下区存在多能干细胞区域。目前，有几家实验室从成年小鼠脑神经组织中得到了纯化的多能细胞，但神经干细胞是空管膜细胞还是室下区星形胶质细胞还在争议（Palmer，1999；Kondo，2000；Rietze，2001）。
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1．5造血干细胞（HematopoieticStemCells，HSCs）' p9 z8 }: [& K" x- @
存在的小环境体外试验结果表明，造血干细胞形成淋巴样祖细胞和髓样祖细胞，淋巴样祖细胞又形成T淋巴细胞及B淋巴细胞；随着动物发育，胚胎HSCs首先在卵黄囊中出现，并表达特定的转录因子注定这些细胞为造血干细胞。随着胚胎发育，HSCs迁移到胎儿肝脏，在胎儿肝脏滞留期间，一些HSCs可分化形成限定的淋巴和髓样祖细胞。出生前，HSCs重新回到骨髓，占骨髓有核细胞的0.5％，使骨髓终生保持造血机能，成年动物在脾和淋巴结中也存在少量HSCs。: B$ N5 D- m( {4 \" Q1 J
HSCs与上皮和胚胎干细胞有差异，HSCs细胞间结合不紧密，这可能解释了它们在一个特定区域定居下来需要很长一段时间，即可在成年动物体内，也可在外周血、脾、肝、骨髓中发现造血干细胞群及其分化形成的子代祖细胞。
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& ]4 A9 a5 i4 y6 j; z2 e2、干细胞生化特性
6 @) A. @$ ^) U  q* u7 V3 F, h皮肤干细胞：实质是角质形成细胞，是表达K5和K14角蛋白，K5与K14角蛋白能在此类细胞中形成完整的中间丝（IFs）结构（Fuchs，1994）。毛囊膨大部干细胞能表达角蛋白K5，K14IFs结构，毛囊膨大部干细胞的细胞表面有高水平的整合蛋白，能很快与胶原蛋白（IV）和纤连蛋白结合。免疫荧光检测结果表明，这些细胞胞间连接蛋白E一钙粘着蛋白含量低。这表明，角质形成细胞干细胞能与胞外富含基质的基底膜（extracellularmatrix－richbasementmembraneECM）连系紧密，这可使其定居在活动范围内，但细胞间粘附性差，这样单个干细胞可以较自由地活动，离开其生存小环境。整合蛋白和钙粘着蛋白不仅对皮肤干细胞的粘附性有很大作用，对其增殖和生存的信号转导通路的启动也很有意义，（Watt，1998）。
# P1 D& X! @7 Q研究结果表明，原癌基因（或等效）信号可能在其中起作用，这种原癌基因信号的结果是五连环蛋白的积累，β-连环蛋白能与E一钙粘着蛋白互相作用，促进细胞间粘合（Nusse，1999）。Β-连环蛋白与皮肤中特异的DNA结合蛋白Lef／Tcf家族成员Tcf3接触，产生Tcf3连环蛋白复合物，该复合物能促进了游靶基因C－myc和细胞周期蛋白（cyclinD1）的活动（Tetsu，1999）。这样β连环蛋白可能减弱小环境对干细胞的作用，从而促使干细胞增殖、分化。这一过程的分子机制较复杂，许多问题有待于进一步研究。4 c& e& F4 O5 [

: A9 n( a/ u6 C- z' R8 I3、小肠肠腺／隐窝干细胞
) l: t0 s7 M! L  g% F2 T; P. Y3 p试验结果表明，与皮肤干细胞一样，肠内特异的Lef／Tcf家庭成员Tcf4与β－连环蛋白形成复合体，对小肠干细胞区的存亡很重要。另外，小肠干细胞表达K8、K17、K19角蛋白，小肠干细胞中整合蛋白和E一钙粘着蛋白，用以维护小肠隐窝内环境稳态。总之，小肠子细胞与皮肤干细胞一样，具有上皮细胞的生化特征。
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- N. h. {, }% n2 I: h4 X4、多能种经干细胞2 d: S" A8 A( K
目前对神经干细胞存在部位仍有争议，但所得的干细胞很相似，都是相对分化的有纤毛细胞，培养后能分裂形成神经原和神经胶质细胞。这些多能细胞呈现分化星形胶质细胞的一些特征，如表达EGF和FGF－2受体。这些和其它的细胞表面标记已被用于从中枢神经系统（脊髓和海马）分离成年神经干细胞（Eriksson，1998）。Matthias等（2001）发现体内Pten肿瘤抑制基因对神经干细胞增殖有负调控作用。
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5、HSCs特性  f: x3 n$ D2 A! k; X8 V7 _
关于造血干细胞形态结构，研究结果表明，HSCs在不同细胞因子作用下，还逐步需要特异的内在因子分化形成各级祖细胞。GATA－2转录因子对造血干细胞的存在和增殖很重要，GATA－1调控类红细胞和巨核细胞（嗜碱性粒细胞／肥大细胞）谱系的存在，增殖和成熟。PU．1转录因子的表达似乎可以促进HSCs子代干细胞进一步沿着分化通道形成多潜能的淋巴样和髓样细胞话系，后来出现的各种因子又促进T和B细胞祖细胞的形成。另外，一些复合体（如正／负转录因子的结合作用）及环境信号的影响，对干细胞谱系定型也很重要。HCSs与其干细胞区ECM的粘附作用依赖于皮肤干细胞相类似的分子机制，即整合蛋白也促进HCSs粘附于胞外ECM基质，并促进其增殖和生存。因此整合蛋白可看作是维持干细胞在其小环境并保持增殖潜能的普遍因素。  l0 e4 k0 T4 c4 ~' T- w) E
基因打靶技术已表明转录因子GATA－2，Tcf－4，OCT—4，Mash1，LH2，SCL／tal－1可维持不同祖细胞的多潜能状态。面临的问题是了解这些因子是怎样调控干细胞保持其多潜能状态。从以上各种体细胞特性可看出，判断是否是干细胞的唯一可靠的特征是干细胞增殖能力和自我更新能力强。
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6、干细胞生存的小环境
( l& _* \, Z4 |( M* V8 S: Q到底是干细胞区的什么成分使干细胞在小环境中具有那么多的特性。最典型的例子，如骨髓，它为HCSs提供了1个丰富而复杂的小环境，它含有多种细胞类型（如巨噬细胞，脂肪细胞，成纤维细胞），这些细胞产生一系列因子，其中一些因干细胞因子，如SCF，不仅对与干细胞表面的SCF（C－KIT）受体互作及粘附在干细胞区是关键的，而且对干细胞的维持也很重要。影响干细胞生存、增殖、定居和内环境稳定的其它基质因子还包括成纤维细胞因子FGF－1，FGF－2，α一趋化因子基质细胞衍生因子一1（SDF－1）和大量胞外基质分子。体外研究结果表明，含有骨髓基质的培液对HCSs生长很有利，表皮干细胞只有与成纤维细胞共培养时才表现最佳生存和增殖状态，有时不只三种干细胞存在于1个小环境，这使分析干细胞小环境成分变得更复杂了。如骨髓，既有HCSs，又含间充质干细胞。间充质子细胞能自我复制形成未分化细胞，形成骨，软骨，脂肪，肌腱，肌肉及骨髓基质（Pittenger，1999）。这说明在同一个小环境中，不同干细胞群可对不同刺激作出应答，也可能互相影响。但这对确定干细胞生存环境的分子机制增加了一定难度。& I" R# m( W* o6 X' j0 h$ ^

6 s) X  ]" V8 H$ Q7、体细胞干细胞的可塑性
& R* S# y( X3 j5 V体细胞干细胞间的外观差别很大，而且各自形成它们自己的细胞谱系类型，那么这些差异是否能长期存在，即它是干细胞固有特性还是受生存小环境的影响？一般认为干细胞具有一些不可改变的特征，使其只能形成特定的细胞谱系。试验结果表明，当将干细胞从其生存小环境移到新环境时，干细胞具有很大可塑性。Geiger（1998）采集成年小鼠HSCs将其注射到小鼠囊胚ICM中，发现成年HSCs表达胎儿珠蛋白。相反，胎儿HSCs移入成年脾脏，这些HSCs表现为成年祖细胞行为，并转而表达成年珠蛋白。这些发现表明：微环境对HSCs发育阶段特异性基因表达程序的显性作用。Bjornson（1999）在试验中发现成年小鼠脑中的干细胞，注射亚致死量辐射破坏其HSCs的小鼠，几月后，发现供体神经干细胞能在宿主体内形成HSCs。当将人骨髓基质细胞移入大鼠脑中，这些细胞不能分化形成神经细胞，但它们的确失去基质细胞的某些特征，并按已有的神经干细胞迁移路径迁移到大脑相关部位（Azizi，1998）。还有试验结果表明，骨髓基质细胞可以参与受致死辐射的宿主小鼠的骨、软骨及肝的增殖，骨髓衍生的生机祖细胞可促进受伤动物肌肉的再生，但在此类试验中，骨髓细胞迁移到不同非造血组织中的百分比一般很小，这对其研究带来困难（Petersen；Gussoni，1999）。也就是说，当将干细胞从其生存环境中移到一个新环境，干细胞能形成以前不可能形成的细胞谱系，这些发现表明，干细胞具有人们没想到的多能性。) B6 g. N2 v+ l
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8、干细胞和新世纪
3 r" R: q* a' h; Q4 @3 d& }  B分子医学的目的是促进人的多能干细胞沿着人类所希望的路径分化成所需要的细胞类型。如能成为实事，就可能治疗许多目前难以医治的疾病。如用细胞移植疗法形成不同的神经元来治疗骨髓受伤，或者帕金氏综合症等。再进一步，可用干细胞来制造器官，如肾脏，眼睛，甚至脑的一部分。很明显，这比单纯形成特定的细胞类型要难。科学家们已在体外培养了皮肤表层，并已有效地应用于重度烧伤患者（Green，1991）。由于人的ES／EG进行相关研究存在伦理争议，那么我们可以从成年人体组织中获得多能干细胞让其在体外保存增殖潜能的前提下，形成特定的细胞谱系前体细胞，来进行相关治疗。另外由于体细胞干细胞在组织中移动较容易，因此可能被用来追踪和杀死癌细胞（Benedetti，2000）。还可通过诱导在我们体内的干细胞形成所需要的分化细胞，而不采取分离和培养，直接对体内固有的干细胞进行操纵，这对于临床应用及伦理上都更便利，相信干细胞将会象其多能性一样为人类医学事业发挥巨大潜能！
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作者: 董晓，冯书堂，郑行: p! R& @- j+ O; @. ]- m5 M  ?6 [
来源: 中国畜牧兽医9 I  @0 s  Z1 v. E8 T$ ]
发布者: 刘斌