s干细胞调控机制的研究进展

干细胞调控机制的研究进展

何红媛,夏　冬1,王　萍2　综述,　吴绍华　审校

(泸州医学院教务处;　12000级肝胆外科研究生;　22000级组胚研究生,四川泸州　646000) 中图分类号　R321.5 文献标识码　A 文章编号　1000-2669(2002)06-0179-03

干细胞的发展引起了当今世界各界的强烈关注,其原因之一是人类胚胎干细胞系的成功培育;二是成体干细胞不断被成功培育成机体的其它细胞类型,甚至科学家们利用从皮肤中提取的干细胞培养出包括人类赖以进行思维活动的神经细胞。由于成体干细胞的材料来源不象胚胎干细胞会毁坏所使用的胚胎,而且容易获得组织替代,因而成体干细胞有着比预想更为广阔的应用前景。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,如早老性痴呆症、帕金森综合征、糖尿病和心脏病等,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。

1　干细胞的概念及应用前景

干细胞是一群具有无限的或被延长自我更新能力的细胞,它们能产生至少一种高度分化的后化[1]。按生存阶段顺序分为胚胎干细胞和成体干细胞。

1.1　胚胎干细胞(Embry onic 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”(innercell mass)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。小鼠的胚胎干细胞的研究表明,它们在体外可以在一些生长因子的诱导下分化,发育成为不同的细胞和组织,并可以使其在小鼠子宫内发育成一个完整的小鼠。显然,人的胚胎干细胞可以通过改变体外培养条件(如生长因子的成分和含量)使之向不同组织细胞分化,这对揭开人体的个体发育之谜,具有极其重要的理论意义。此外,如果能够使第一代培养物衍生的一群干细胞在体外无限传代下去,成为”干细胞株”,这样就可以保存和利用干细胞株在体外不断扩增并用来进行广泛研究,诱导产生不同的组织细胞,甚至器官,供临床移植用。据报导现已获得的人类胚胎细胞株还没有一个被证明能转化成为人类身体所有细胞,但随着科学的发展,无论从基础研究角度、应用潜力,还是从人类同疾病作斗争的决心来看,人类ES细胞的研究将获得更大的发展空间。

1.2　成体干细胞(Adult stem cells)

作者简介:何红媛(1974-),女,实习研究员。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, Bjorns on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)。[1～5]

2　干细胞的自我更新和分化

从发生机制来看,干细胞并不直接分化产生终末分化细胞,而是先分化成短暂扩充细胞(transit am plifying cells),短暂扩充细胞有产生定向分化成某种终末分化细胞的能力,因而是定向祖细胞(committed progenitors)。短暂扩充细胞再经过几次到十几次不等的分裂后定向分化,进一步可分化为有丝分裂后细胞(post-mitotic cells)及终末分化细胞(terminally-differentiated cells)。短暂扩充细胞的存在说明组织可以靠较少量的干细胞分裂为很多的子代分化细胞[6]。干细胞自我更新和分化的方式通常有两种[7,8],一种是不对称方式分裂,即1个干细胞分裂成1个干细胞和1个定向祖细胞,常见于单细胞生物和无脊椎动物;另一种是具有高度调控机制的分裂方式,干细胞按一定的概率分裂成干细胞或定向祖细胞,即干细胞按一定的概率分裂为两个干细胞或两个定向祖细胞;或按不对称方式分裂,一般认为哺乳类动物即以此种方式进行自我组织更新。细胞的更新具有准确无误性,干细胞在整个增殖过程中处于相对静止状态,而由短暂扩充细胞完成DNA合成和细胞扩充的任务,干细胞在分裂后仍保留其原有的遗传信息。短暂扩充细胞拥有新复制DNA序列,以保证差错仅停留在短暂扩充细胞水平。通常干细胞等数分裂干细胞和定向祖细胞,当受到损伤等情况时,干细胞的分裂方式会发生改变以适应机体的需要[10]。

3　干细胞的调控

干细胞的调控是指给予适当的条件因子,对干细胞的增殖和分化进行调节控制,使之向指定的方向发展。干细胞的分化行为是被预先程序化还是受周围环境的调控一直是一个有争论的话题,但干细胞所处的微环境又称为干细胞壁龛(niche),对干细胞分化调控的影响是存在的[2]。

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泸州医学院学报 2002年 第25卷 第1期Journal of Luzhou Medical C ollege　V ol.25　N o.1　2002

3.1　干细胞命运的内在调控

干细胞自身有许多调控因子可对外界信号起反应从而调节其增殖和分化。这样的内在调节包括调节细胞不对称分裂的蛋白质,在干细胞和非干子细胞中控制基因表达和染色体修饰的核因子,以及在干细胞在终末分化之前所经历的分裂次数也受到细胞内调控因子的制约。

3.1.1　细胞内蛋白对干细胞分裂的调控

由于干细胞命运决定簇的不对称分配以及周围环境的不同影响,而使干细胞进行不对称分裂而产生新干细胞或分化子细胞。细胞的结构蛋白,特别是细胞骨架成分对细胞的发育非常重要。果蝇的周围神经系统,感觉器官前体细胞的不对称分裂是由基因的层次控制的,其中一种是inscuteable (insc)细胞内蛋白[10,11],这种蛋白至少在三个方面协调细胞的不对称分裂:细胞命运决定簇相关膜的不对称定位, Numb;mRNA的不对称定位;以及有丝分裂纺锤体的定位。在果蝇的卵巢,每个干细胞经过不对称分裂产生一个新干细胞,同时也产生一个分化子细胞,它从微环境中移出并最终成为一个成熟卵。控制干细胞不对称分裂的是一种称为收缩体(spectros ome)的细胞器,它包含有多种膜骨架和调节蛋白,如定形素、细胞周期蛋白A。收缩体与有丝分裂纺锤体的结合决定了每一个干细胞的分裂部位,同时使分子局限化,从而把维持干细胞性状所必需的成分保留在子代细胞中[10,11]。

3.1.2　转录因子的调控

在果蝇上,调节不对称干细胞分裂的脊椎动物相同器官的基因已被识别,但它们在控制干细胞分化命运是否有着相似的作用尚不清楚。已有大量事实说明转录因子对干细胞分化的调节非常重要。在胚胎干细胞的发生中,转录因子Oct4是必需的。Oct4是一种哺乳动物早期胚胎细胞表达的转录因子,它诱导表达的靶基因产物是FG F-4等生长因子,能够通过生长因子的旁分泌作用调节干细胞以及周围滋养层的进一步分化。Oct4缺失突变的胚胎只能发育到囊胚期,其内部细胞不能发育成内层细胞团[12]。在皮肤表皮和肠上皮,最新的资料强调转录因子T cfΠLef家族的重要性。纯合子的缺失突变的T cf4小鼠的小肠缺乏干细胞,而Lef1纯合子的突变体在毛发和胡须的形成上有缺陷[13,14]。β-链蛋白(β-Catenin)激活T cfΠLef介导的转录,在体内引起角质细胞还原成一种多能性状态,并进一步分化成为毛囊或毛囊内表皮[15,16]。转基因小鼠肠上皮组织β-链蛋白的过度表达刺激了细胞增生,但由于细胞凋亡同时相应增多,故细胞总数并无净增长[17]。

3.2　干细胞的外在调控

控制干细胞命运的外部信号组成了干细胞的微环境。干细胞的分化受细胞与细胞、细胞与细胞外基质间短程或长程信号的复杂交互作用的影响。

3.2.1　细胞因子

干细胞微环境中的间质产生的系列生长因子或配体,与干细胞相互作用,控制干细胞的更新和分化。细胞因子在传递细胞与胞外基质之间、细胞与细胞之间的信息中起重要作用,这些细胞因子包括白细胞介素(I ls)、干细胞生长因子(CSF)、表皮细胞生长因子(EG F)、成纤维细胞生长因子(FG F)、肝细胞生长因子(HG F)等。有两类因子在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用,它们是TG Fβ家族和Wnt 信号通路。在调节神经嵴干细胞的分化中TG F至少有两个成员参与。转录因子T cfΠLef是Wnt信号通路的中间介质, Wnt通过阻止β-链蛋白分解从而激活T cfΠLef介导的转录,促进干细胞的分化[18]。

3.2.2　膜蛋白介导的细胞间的相互作用

有些信号是通过细胞-细胞的直接接触起作用的。β-链蛋白就是一种介导细胞粘附连接的结构成分,它传递细胞间相互调控信息[15～18]。除此之外,穿膜蛋白N otch及其配体Delta或Jagged也对干细胞分化有重要影响[19]。在果蝇的感觉器官前体细胞,脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经上皮、骨骼肌和血液系统中,N otch信号都起着非常重要的作用[20]。当N otch与其配体结合时,干细胞进行非分化性增殖;当N otch活性被抑制时,干细胞进入分化程序,发育为功能细胞。

3.2.3　整合素(Integrin)与细胞外基质

细胞外基质成分的改变也影响干细胞的分化。整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主要的分子。整合素与其配体的相互作用为干细胞的非分化增殖提供了适当的微环境。比如维持表皮干细胞原始状态因素中,β1整合素是必需的,它通过M AP激酶信号调节角化细胞和其它类型细胞的分化[20～22]。当β1整合素丧失功能时,上皮干细胞逃脱了微环境的制约,分化成角质细胞。此外细胞外基质通过调节β1整合素的表达和激活,从而影响干细胞的分布和分化方向。细胞外基质成分的改变也影响干细胞的分化,整合素在其中起重要作用。当干细胞微环境发生改变如损伤时,胞外某些信息可通过整合素α5β1、αvβ5及αvβ6传递给干细胞,以触发跨膜信号转导,调控细胞的基因表达。这一过程不仅可以改变干细胞的分裂方式,而且也激活干细胞的多潜能性,使干细胞产生一种或多种定向祖细胞,以适应组织修复的需要。因此,整合素α5β1、αvβ5及αvβ6也被称为创伤愈合过程中的应急受体(emergency receptor)[2,23]。

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[23]。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D olly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　干细胞治疗研究的方向

今后,干细胞治疗研究的方向是,从不同的终分化器官

081泸州医学院学报 2002年 第25卷 第2期Journal of Luzhou Medical C ollege　V ol.25　N o.2　2002