干细胞

Germinaline cell and IGC
The average number of IGS cells per germarium (●) and germ cell cysts (▲) as a function of age.
Germ cells maintain inner sheath cells.
Cell, 1998, Vol. 94, 251–260
Overexpressed dpp Acts Directly on Germline Stem Cells
在体细胞中过表达Dpp受体sax （A）或 tkv （B) 或sax+tkv，不能形成肿瘤状 GSC。B和C中3区出芽的问题可能与滤 泡细胞缺陷有关。
过表达Dpp蛋白能阻断果蝇卵巢中生殖干 细胞和生殖细胞cyst的分化
Dpp蛋白与GSC
与野生型(B)相比，诱导Dpp表达3天 (C)在区域1和2a间有大量的生殖细胞， 但没有观测到cyst的形成，而在区域 2b和3之间有少量的16-cell的cyst形成， 可能来源于过表达Dpp之前的分化的 生殖干细胞（新形成的Cyst需要4天 才能退出原卵区），而诱导表达4-5 天（D）几乎没有16-cell的cyst形成
Cell, 1998, Vol. 94, 251–260
Dpp信号对GSC是不是必须的？
利用dppe90/dpphr56 和 dpphr4/dpphr56两种突变体来研究Dpp缺 乏对GSC的影响, 这两种突变体在18度时能够正常发育，但 如果在28度的环境饲养，Dpp将不能正常表达。
Cell, 1998, Vol. 94, 251–260
Stem Cell Niche 干细胞小生境
引言
• 成体干细胞在体内的自我复制以及产生起始分化的子细胞的 能力在维持组织平衡状态和持续提供新细胞以替代生存时间 短但高度分化的细胞类型（如血液、皮肤和精子）等方面非 常关键。 • 干细胞的数量、分裂、自我复制和分化可能受到细胞内在因 素和周围微环境的外在信号的共同调节。这些周围微环境被 称为干细胞特殊小生态环境，即干细胞的niche。
differentiation move away
symmetric division
利用能够增加干细胞丢失速度的突变，Xie和Sprading展示了空的干细胞 niche很快被邻近干细胞分裂的细胞填满，这种情况下干细胞平均分裂，两 个子细胞都成为干细胞。
Schnurri (shn), a gene would reduce GSC lifetime by disrupting dpp signaling
Cell, 1998, Vol. 94, 251–260
Germline Cells in the dpp-Induced Tumors Behave Like Stem Cells （3） 恢复正常Dpp表达两天（F）可以在原卵 区后部观测到Cyst的形成，在恢复正常 Dpp后4天可以看到16-cell的Cyst的形成， 但不是所有的肿瘤生殖干细胞都能够形 成完整的8和16cell的cyst
Cell, 1998, Vol. 94, 251–260
Germline Cells in the dpp-Induced Tumors Behave Like Stem Cells （1）
Cystoblasts 和早期有丝分裂的cysts与干 细胞的区别在于有bam蛋白的表达（A)， 过表达Dpp使卵巢里充满大量不表达Bam 的cystoblast
Drawings of cyst formation and the germarium
Development 125, 2781-2789 (1998) 2781
How to prove that ovarioles contain a stem cell niche?
genetically destabilized
果蝇原卵区(germarium)示意图
前
后
Terminal filament 端丝 Cap Cell 冠细胞 Germline stem cell 种系干细胞 Inner sheath cell 內鞘细胞 follicle cell 滤泡细胞 Basement membrane 基膜 Cystoblast 成包囊细胞 somatic stem cell 体干细胞
Manipulating niches
Replacement assay to identify niches
Nature, 2001, 414 , 98-104
Manipulating niches Cell marking experiments
Nature, 2001, 414 , 98-104
2. Dpp可以和两种丝氨酸/苏氨酸激酶受体结合，然后磷酸化下游的调节 蛋白Mad(mother against Dpp)，Mad能促进转录因子Medea向核内转 移，从而激活Dpp的靶基因的表达。
Dpp mRNA 分布
利用原位杂交技术在卵巢中确定Dpp mRNA的分布，可以看到冠细胞、 内鞘细胞中含有dpp mRNA，以及在原卵区后部的前滤泡细胞，而端 丝细胞、生殖细胞包括生殖干细胞都没有检测到dpp mRNA
• Niche在维持组织功能方法具有很重要的作用，破坏Niche可 能会导致组织退化、衰老以及形成肿瘤。
Niche与干细胞的关系
• 当Niche中的干细胞不存在时，Niche的结构仍然可以保持， 并为补充进来ຫໍສະໝຸດ Baidu细胞提供维持干细胞能力方面的支持。 • 在一定的条件下，外来细胞可以通过占据空的或功能异常 的niche，移走内源干细胞等方式直接进入组织，行使干细 胞功能。
引言
• niche 的概念最早是在1978 年由Schofield 针对造血干细胞的特 殊微环境而提出的, 随后在消化道、神经系统和性腺等组织也 发现类似的niche 结构。 • 干细胞通过与niche 内其它细胞和细胞因子等的相互作用, 进行 自我更新和定向分化, 从而保护干细胞不受各种信号的干扰, 同 时又防止干细胞的过度增殖导致恶癌变。
Moreover,GSCs were observed to always make special contacts with cap cells that characteristically align with the a/p axis of the ovariole. The GSC’s fusome remains adjacent to the GSC/cap cell interface during most of the cell cycle.
典型干细胞小生境
• 果蝇卵巢、精巢中的种系干细胞小生境。
• 果蝇卵巢和精巢中的种系干细胞(germline stem cell, GSC) 的 精确特性和定位已经明确。
• 果蝇具有很强的遗传学工具，能够进行细胞类型特异性易 位表达 ，使我们有机会了解干细胞如何和它周围环境相互 作用的本质问题。
果蝇原卵区(germarium)示意图
Science 290, 328 (2000)
Whether stem cell replacement occurs normally?
冠细胞与GSC有相关性，基本保持 2.5:1的比例
GSC 2.5-2
GSC的半衰期是4-5周，如果没有替代机制的 话，GSC数目应该减到50%左右 端丝细胞9.2-5.0
Initially (i.e. 7 d after heat shock), 50% of the germaria contained 2 GSCs, and 39% of these stem cells failed to stain for LacZ.
Plotting the rate of GSC loss indicated that shn04738 GSCs had a half-life of 2.3 weeks. (4 week wild type)
Stem Cell Niche
具有支持细胞(support cell)，基膜(basement membrane).，联接分子等 基本要素
Niche的特点
• 具有精确的空间结构，并提供足够的增殖和抗凋亡信号，帮 助排除促分化因子，以维持干细胞全能性和自我复制的能力。 • 与干细胞密切接触的其他细胞或基膜是Niche中控制干细胞行 为信号的重要来源。
前
后
Terminal filament 端丝 Cap Cell 冠细胞 Germline stem cell 种系干细胞 Inner sheath cell 內鞘细胞 follicle cell 滤泡细胞 Basement membrane 基膜 Cystoblast 成包囊细胞 somatic stem cell 体干细胞
Science 290, 328 (2000)
细胞器Fusome/spectrosome（有丝分裂纺锤体）， 在生殖干细胞、包囊细胞以及后代中存在
anti-lacZ, red；anti-Hts, green
16 cell young cyst LacZ negative
still a cystoblast (indicating recent lost) Fusome still connected
利用hs-bam转基因果蝇，使果蝇的生 殖干细胞很快分化。诱导基因表达前 （F）和诱导后3天（G）可以看到GSC 丢失，所有的生殖细胞完成发育，离开 原卵区，与此同时，IGS细胞也完全消 失，而此时端丝细胞和冠细胞仍然保持 完整。
Dpp (Decapentaplegic)蛋白
1. 骨形态生成蛋白（bone morphogenetic protein, BMP) 2/4 同源蛋白， 对于维持GSC是必需的。
Cell, 1998, Vol. 94, 251–260
Germline Cells in the dpp-Induced Tumors Behave Like Stem Cells （2）
The lack of Bam expression was not caused by growth arrest, because some cells through-out the tumor incorporated the nucleotide analog BrdU(D and E). These results show that the tumor cells induced by dpp overexpression continue to divide and resemble stem cells in their fusome morphology and absence of Bam protein
dppe90/CyOP23 A 1-week old dppe90/dpphr56 germarium. A 2-week old dppe90/dpphr56 germarium.
Cell, 1998, Vol. 94, 251–260
Dpp蛋白I型受体sax与GSC
1-week-old saxP/1 1-week old saxP/saxP germarium, two stem cells are present but the number of cysts is reduced. 1-week old saxP/saxP germarium. Only one stem cell remains and regions 1 and 2a are much reduced. A 2-week-old saxP/saxP germarium. No stem cells or mitotic cysts are present
Terminal filament organization changes from an ordered stack (B) to a ball-like structure (C,open arrowhead) to a disordered clump attached to cap cells by a thin cellular process (D, arrowhead).