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多能干细胞:入门介绍

多能干细胞具有分化成人体任何细胞的潜能,对其进行研究也许可以揭示许多疾病的奥秘。


​干细胞的吸引力在于其分化潜能。早期胚胎干细胞具有分化成人体任何组织的多能性。但早期胚胎并非干细胞的唯一来源。机体的许多器官(包括骨髓、皮肤和内脏)中都存在多种成体干细胞。这些类型的干细胞都具有多能性,可以变成某种特定的细胞类型。

干细胞为生物学发展和临床应用提供了无限的可能性。自从 1981 年研究人员发现如何分离和培养小鼠胚胎干细胞以后,干细胞和再生医学领域在认知影响干细胞成为特定的器官细胞或组织细胞的因素和条件方面取得了重大进展,同样在识别促进未分化、非特化状态的细胞进行自我更新和保持的因素方面也有了突破。

 确定干细胞类型

虽然只有极早期的胚胎细胞(新受精胚胎中的最初几个细胞)才能转变成新的完整机体,但是来源于着床前和着床后胚胎的胚胎干细胞都具有可在培养过程中获得和维持的广泛的多能性。

从小鼠胚胎中已经成功获得并定义了两种类型的多能干细胞。分化程度最低的是胚胎干细胞 (ESCs),大约在发育第5天该细胞着床之前,可从小鼠胚胎中获得。获得这些 ESC 的时间段很短。在第 5 天时,这些 ESC 开始形成内细胞团,然后分化成三个原始胚层(即外胚层、中胚层和内胚层),这三个胚层最终产生机体的组织和器官。这种分化在胚胎着床后不久便开始发生。ESC 被称为“原始态”多能细胞,而第二种类型的多能干细胞是来源于着床后胚胎的上胚层干细胞 (EpiSCs),被称为“始发态”多能细胞。虽然 EpiSC 也可以分化成三个胚层,但是它们在培养过程中的行为与 ESC 不同,并且在活跃的信号通路、分子特征和形态方面也不相同。人 ESC 与小鼠 ESC 有一些共同特征。人和小鼠的 ESC 都表达与维持未分化状态和自我更新相关的一些转录因子 (TF),包括 Nanog、SOX2 和 Oct4。这三种 TF 保持相对较高水平对于维持多能干细胞的状态是必要的。这些蛋白质的水平可使用免疫细胞化学和免疫荧光法轻松测定。

最近,通过表达维持 ESC 和 epiSC 所需的因子和基因(包括上述的 TF),将分化的成体细胞在基因水平上重编程为更多能的状态,形成了另一种类型的干细胞。这种诱导性多能干细胞 (iPSC) 在 2008 年被《科学》杂志评为“年度突破”。小鼠和人的 iPSC 都由其表型所确定。小鼠 iPSC 可形成包含所有三个胚层的肿瘤,并且在注入早期小鼠胚胎后有助于形成不同的组织。人 iPSC 则能形成具有三个胚层特征的细胞。

2006 年,从来源于小鼠尾部的皮肤细胞中首次成功获得了小鼠 iPSC。该转化过程需要四种基因 Oct4、SOX2、c-MycKlf4,或者仅需 Oct4、SOX2Klf4。从 2007 年开始,研究人员利用这些基因从成人皮肤和结缔组织以及胃和肝中获得了人 iPSC。他们还证明了人 iPSC 转化需要与获得小鼠 iPSC 相同的基因,或者需要 Oct4、SOX2、NanogLin28。

临床与研究应用

研究与成体细胞去分化和维持多能性相关的基因和影响因子有助于确定各种多能干细胞状态,以进一步探索在培养过程中分化和维持人和小鼠干细胞的方法。掌握的关键进程和必要因素将使研究人员能够更好地控制重编程过程,从而探知干细胞行为和分化方式,并揭示所涉及的基因调控网络。

多能干细胞能够产生几乎所有的细胞类型,使得利用这些细胞来治疗与组织损伤或特定细胞损失相关的疾病和病症成为可能,例如治疗老年性黄斑变性、脊髓损伤、中风、糖尿病、阿尔茨海默病、帕金森病以及血液或肾脏疾病。人 iPSC 和 ESC 也有可能作为模型系统,用来研究发育,了解疾病及药物起效的过程,和组织特异性药物毒性。在各种研究和临床应用中,通过干细胞标志物明确划分细胞群是十分重要的。使用抗体进行免疫分型以及通过流式细胞术进行细胞分选可以确定这些细胞群。这种技术特别适用于对 PSC 进行免疫分型所需的多参数分析。Abcam拥有经严格验证的抗已知干细胞因子的抗体,可以提供全面的干细胞和细胞系标志物为靶点的抗体产品线,这些抗体可用于识别和鉴定供实验室使用的干细胞。​

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干细胞标志物

PSC 类型

细胞定位

说明

Nanog

mESC、hESC、hiPSC

细胞核

TF,连同 Oct-4 和 Sox2,对保持多能性十分必要。表达由Oct-4 和 Sox2调控。

Oct4

ESC、iPSC

细胞核

TF,连同 Nanog 和 Sox2,对保持多能性十分必要。

SOX2

miPSC、hiPSC

细胞核

TF,连同 Oct-4 和 Sox2,对保持多能性十分必要。

c-Myc

miPSC、hiPSC

细胞核

TF 和致癌基因,用于形成人和小鼠的 PSC。

Klf4

miPSC、hiPSC

细胞核

锌指 TF,用于形成人和小鼠的 PSC。

Lin28

hiPSC

细胞质、细胞核

miRNA 结合蛋白,用于形成人 PSC。

TRA-1-60

hiPSC、hESC

细胞膜

存在于人干细胞和胚胎生殖细胞的细胞膜上的蛋白质,但小鼠胚胎干细胞的细胞膜上不存在。

SSEA-4

hESC、hiPSC

细胞膜

存在于人 ESC 和生殖细胞表面上的糖脂类碳水化合物,但小鼠 ESC 表面上不存在。

SSEA-1

mESC

细胞膜、高尔基体

存在于小鼠胚胎表面上同时只在人生殖细胞中表达的寡糖,但人 ESC 中不存在。


​参考文献

Takahashi K, Yamanaka S. (2006).Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors.Cell, 126(4): 663-76.

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