干细胞特性以及培养技术交流

1. 干细胞(stem cell)：

干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。

2.干细胞分类

(1)胚胎干细胞：指胚胎早期的干细胞。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。如囊胚期细胞团的细胞。

(2)成体干细胞：指成体各组织器官中的干细胞，成体干细胞具有自我更新能力，但分化潜能窄，只能分化为相应(或相邻)组织器官组成的细胞。如神经干细胞，表皮干细胞。

第一节 干细胞生物学

1. 组织自体稳定性：

特定组织通过使自身细胞死亡和增生的方式保持组织细胞数量动态平衡的特征称组织自稳定性。

2. 干细胞是个体发育和组织再生的基础。

一、干细胞的形态和生化特征

1．干细胞的形态特征

①干细胞形态共性：细胞呈圆形或卵圆形，体积小，核质比大，增殖力强。

②干细胞的固定组织位置：有的干细胞有固定存在部位与方式。如表皮干细胞与其周围的子细胞形成增殖结构单元。但许多组织的干细胞没有这种分布特点。

2．干细胞的生化特性

①端粒酶活性高：如造血干细胞具癌细胞的端粒酶活性，增殖能力强。随着增殖与分化，端粒酶活性下降。

②蛋白标志分子：不同干细胞有各异的蛋白质标志分子，可作为确定干细胞位置、分离提纯干细胞的标志。如：巢素蛋白—神经干细胞；角蛋白15—表皮干细胞。

二、干细胞的增殖特征

（一）增殖缓慢性

1．干细胞增殖速度慢：细胞动力学研究表明，干细胞的增殖速度较慢，组织中快速的细胞是过渡放大细胞。

如小肠干细胞的速度(Tc=11小时)比过渡放大细胞(Tc≥24小时)慢一倍。

2．过渡放大细胞：

过渡放大细胞是介于干细胞和分化细胞之间的过渡细胞，过渡放大细胞经若干次产生分化细胞。

通过这种方式，机体可用较少干细胞获得较多分化细胞。

3．干细胞增殖缓慢的意义：

(1)利于干细胞对外界信号作出反应，以决定细胞的发展方向—增殖或分化。

(2)减少基因突变的危险。增殖缓慢使干细胞有时间发现并纠正处于增殖周期过程中的错误。

（二）干细胞的自稳定性

1．自稳定性：

自稳定性是干细胞的基本特征之一。指干细胞可在个体生命过程中自我更新并维持其自身数目恒定。

干细胞的自稳定性是区别肿瘤细胞的本质特征。

干细胞通过其特有的方式维持自稳定性。

2．干细胞的方式

①干细胞有对称与不对称两种方式。

不对称的结果使两个子细胞一个成为功能专一的分化细胞；另一个保持干细胞的特征。

3. 不对称发生原因：

①系列基因。

②细胞质物质不均等分配。

4．无脊椎动物通过不对称维持自稳定性。

如：果蝇的Insc基因是感官前体细胞的不对称的基因之一，通过三个途径进行：

不对称分配质膜上的细胞定向决定因子。

不对称分配细胞的mRNA。

决定细胞时纺锤体的取向。

5．哺乳动物的种群不对称。

(1)种群不对称：

哺乳动物有几种不同的干细胞群，后产生不同细胞。

(2)哺乳动物种群不对称的意义：

①使机体对干细胞的更灵活，以适应机体的生理变化。

②要求机体对干细胞的更精确，以保持干细胞数目恒定。

如：正常肠腺有250个细胞组成，如果额外多一个干细胞，则可能多产生~128个子代细胞。

(3)哺乳动物种群不对称的。

哺乳动物通过多层次多角度，保持自稳定性。

正：促进与细胞增殖、生存有关的基因表达。

负：促进与细胞凋亡有关的基因表达。

如转基因小鼠长期造血干细胞高表达Bcl-2后，使长期造血干细胞的数目显著增加。说明细胞凋亡也是干细胞的方式。

三、干细胞的分化特征

（一）干细胞的分化潜能

根据其分化潜能大小，干细胞可分为三类。

1．全能性干细胞(胚胎干细胞)：

具有形成完整个体的分化潜能。

如胚胎干细胞(ES)具有很强的分化能力，可无限增殖并分化为全身200多种细胞类型，及机体的各种组织、器官。

(图 全能干细胞)

2．多能性干细胞：

多能干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但失去了发育成完整个体的能力。

如骨髓多能造血干细胞，它可分化出至少十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。 (图 多能干细胞)

3．专能性干细胞(成体干细胞)：

专能干细胞(也称单能、偏能干细胞)，这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。

如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞(卫星细胞)。(图，表皮干细胞)

(二)干细胞的转分化和去分化

1．干细胞的转分化：

一种组织类型的干细胞在适当条件下分化为另一种组织类型的细胞的过程称干细胞的转分化。

实验：C57BL/6J♂成年小鼠 造血干细胞 WBB6F/J-KitW/KitW-V♀鼠(亚致死剂量同位素照射) 在♀鼠的神经胶质细胞中检测到Y染色体.

即♂鼠的造血干细胞移植到♀鼠中分化为脑星形胶质细胞。

2．干细胞去分化：

一种干细胞向其前体细胞的逆向转化称干细胞去分化。

实验：

成体鼠造血干细胞 鼠卵泡的细胞团 表达胎鼠的珠蛋白基因→参与胚胎造血系统的发育。

3. 干细胞的可塑性

(1)干细胞的横向分化：

在干细胞移植时，供体干细胞在受体常分化为与其组织来源一致的细胞。但有时供体干细胞会分化出与其组织来源不一致的其它细胞，这种现象称干细胞横向分化(trans-differentiation)。

干细胞横向分化表明成体干细胞被移植入受体中具有很强的可塑性。为干细胞治疗提供了可能。

(2)实验：

小鼠肌肉干细胞→体外培养5天＋少量骨髓间质细胞 接受致死量辐射的小鼠中

各种血细胞系。

(3)横向分化的机制：

与干细胞的微环境有关。

干细胞进入新的微环境后，对分化信号的反应受到周围正在进行分化细胞的影响，从而对新的微环境中的调节信号做出反应。

四、干细胞增殖与分化的微环境

干细胞巢(stem cell nich)：干细胞在组织中的居所。

干细胞生存的微环境：

指干细胞巢中控制干细胞增殖与分化的外部信号。

如：

这些物质可以介导干细胞-干细胞的相互作用，以及细胞与细胞外基质的作用，影响干细胞的增殖和分化。

（一）分泌因子

分泌因子是由细胞自分泌或旁分泌的生长因子，有的分泌因子对维持干细胞的增殖，分化和存活具有调节作用。

如转化生长因子-β和Wnt家族的成员，在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用。

1．转化生长因子β

TGFβ(transforming growth factorβ)是TGFβ超家族的成员之一，具有调节细胞生长和分化的作用。

因为TGFβ能使正常成纤维细胞的表型发生转化，即在EGF同时存在时，改变成纤维细胞贴壁生长特性而获得在琼脂中生长的能力，并失去密度依赖的抑制作用，故命名。

TGFβ的作用：

TGF-β对细胞的生长、分化和免疫功能都有重要的调节作用。一般对间充质起源的细胞起刺激作用，而对上皮或神经外胚层来源的细胞起抑制作用。

如TGF-β家族成员Dpp可维持果蝇雌性生殖干细胞的增殖。

2．Wnt家族的分泌信号分子

(1)Wnt基因：

Wnt基因最初是在小鼠乳腺癌克隆出来的原癌基因，因病毒基因在其旁边插入可激活该基因，称为Int基因，后发现其与果蝇的无翅基因(Wingless,wg)高度同源，故合称为

Wnt基因。

(2)Wnt信号分子：

是Wnt基因编码的长度为350~400个氨基酸的分泌型糖蛋白。它与细胞表面及细胞外基质有联系，在小围(几个细胞直径)起信使的作用。

(3)Wnt信号途径：

是由Wnt参与的将信号由细胞表面传至细胞核的信号传导途径。

主要包括Wnt信号蛋白，跨膜受体(Frizzled)，辅受体LRP(低密度脂蛋白受体有关的跨膜蛋白)、Dishevelled、糖原合成酶激酶3(GSK3)、APC、Axin、β-连环蛋白及T细胞因子/淋巴结增强因子(TCF/LEF)家族转录调节因子等。

(4)Wnt信号途径的作用：

在生物的正常发育中起重要作用，是组织发育、分化所必需的关键信号通路。

(5)Wnt信号途径的作用机理：

通过TCF/LEF和β-cat对C-myc的表达进行，即Wnt通路的靶基因为c-myc。

TCF/LEF是Wnt信号通路的中间介质，可与β-连环蛋白(β-catenin，β-cat)结合成复合物，将β-catenin由胞浆→核。

β-cat是Wnt信号通路中最重要的信号分子。β-cat具有两种功能：细胞粘附及信号转导，其C-端参入信号转导，N-端参入细胞粘附。

正常情况下，APC、GSK-3β、Axin等调节下，胞浆β-catenin处于平衡状态；

当Wnt因子与其受体结合，Wnt信号传导使GSK3被抑制，使β-catenin不能正常水解而积累，过量的β-catenin与Lef/Tcf结合并入核，与DNA结合蛋白Tcf3结合，激活c-myc、cyclinD1等基因转录，促进细胞增殖分化。

如Tcf/Lef转录因子家族对上皮干细胞的分化：

Tcf/Lef与β-Catenin形成转录复合物后，促使角质细胞转化为多能状态并分化为毛囊。

（二）受体介导的细胞-细胞

相互作用

如果蝇的Notch基因产物Notch受体。 Notch的配体为Delta基因产物，两者均为细胞表面跨膜蛋白。两者结合后在果蝇刚毛器的发育中起调节作用的蛋白质。 (图，果蝇刚毛)

Notch受体

果蝇的每个刚毛器由一个神经前体细胞发育成，而神经前体细胞又是从含多个神经原细胞的细胞群分化出来的，这种有选择地发育过程，依赖于Notch和Delta的基因调节。

Notch与其配体Delta结合后，通过细胞间相互作用，向细胞核传递抑制信号，对相邻细胞侧向抑制，只使某个神经原细胞获得较强的竞争能力，被选择发育为神经前体细胞。

即当Notch与其配体结合时，干细胞进行非分化性增殖；当Notch活性被抑制时，干细胞进入分化程序，发育为功能细胞。

(三) 胞间基质和整合素

1.胞间基质：即细胞外基质，指分布于细胞外空间，由细胞分泌蛋白和多糖构成的网络结构。

2.作用：细胞外基质可以将细胞粘连在一起，同时还提供一个细胞架维持组织结构，通过结合与传递信号分子对细胞存活、增殖、分化、迁移等具有重要影响。

3.细胞外基质的种类：

(1) 胶原

胶原是细胞外基质中的主要框架结构。

目前发现的胶原至少19种。每种胶原的结构特性均与其特定功能相适应。可形成胶原纤维(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型)、三维网络结构(Ⅳ型)的片层胶原。

胶原是构成基底膜的主要成分之一，并与细胞基质中的其它成分一起构成结构与功能的统一体。为干细胞生存及生命活动提供微环境。

(2) 层粘连蛋白(laminin，LN)

层粘连蛋白是基膜的主要功能成分。也是胚胎发育中出现最早的细胞基质成分。

在成体，它存在于上皮下和皮下紧靠细胞的基底，以及肌细胞和脂肪细胞周围等。

层粘连蛋白的功能：

作为基膜的主要结构成分，促进基膜组装，介导细胞粘着胶原进而铺展，促进生长增殖；

诱导细胞分化，是个体发生中出现最早的细胞基质。如成肌细胞分化为肌细胞、间质细胞分化为肾细胞、上皮细胞等。

(3)纤粘连蛋白(fibronectin，FN)

纤粘连蛋白分血浆FN和细胞FN。

血浆FN存在于血浆及各种体液中；

细胞FN存在于细胞外基质(包括某些基膜)及细胞表面。

细胞FN为多聚体，有20种以上。是同一基因的编码产物，转录后由于RNA拼接不同形成多种异型分子，拼接方式依细胞类型及发育状态而定，从而使细胞产生适合组织需要的FN形式。

即细胞通过控制FN RNA的拼接方式，使其与不同细胞结合及产生特异效应。

FN的功能：主要是介导细胞粘着，以此调节细胞形状和细胞骨架的组装，促进细胞铺展、迁移，并可通过迁移途径决定细胞的分化方向。

如沿富含FN途径迁移的神经脊细胞最终分化为肾上素能神经元，形成神经节。。

4.整合素

(1)是一种通过识别并结合相邻细胞的粘附分子和细胞外基质成分，介导细胞-细胞以及细胞-细胞外基质间的相互作用的受体蛋白质。属于细胞粘连分子。

(2)整合素对干细胞的作用：是促进干细胞的非分化增殖。

(3) 作用机理：

①作为细胞外基质的受体，与配体结合后，启动胞信号传递的连锁反应，最终影响基因表达，为促进干细胞的非分化增殖提供微环境。

②将干细胞置于组织中的正确位置，使干细胞维持非分化性增殖。

整合素是由α和β两个亚单位形成异二聚体。已发现有16种α和9种β亚单位，可组合成20余种整合素。

与细胞外基质成分结合的整合素主要以β1与9种α亚单位分别构成的异二聚体。

如当β1丧失功能时，上皮干细胞脱离微环境制约，分化成角质细胞。

即细胞外基质通过调节β1整合素的表达和激活，影响干细胞的分布和分化方向。

(4)整合素对干细胞的影响作用过程：

需2步：

一是整合素活化；

二是活化的整合素作用于干细胞。

①整合素活化：

整合素通常不与配体结合，需要经过活化。活化因素是外部信号的刺激，活化过程为胞信号外传过程。

②整合素对细胞的作用：

作用过程为胞外信号传：

整合素活化后与配体(如纤粘连蛋白)结合

细胞→细胞发生反应。

如粘着斑蛋白与骨架系统的组装，激酶磷酸化等，使细胞发生分泌、增殖、分化、迁

移等。

活化的整合素又可失活，使粘附的细胞彼此脱离。

即整合素通过与细胞外基质的弱结合，使细胞在不脱离粘附的情况下根据微环境，通过可逆性的结合与解离进行细胞迁移。

第二节 胚胎干细胞

1．胚胎干细胞：

从囊胚期(受精后5~7天)胚胎分离到的干细胞称胚胎干细胞。

2．胚胎干细胞的特性：

为全能性干细胞。有如下特性：

3．胚胎干细胞的研究价值：

是发育生物学基础研究的理想模型和有效工具。(图，胚胎干细胞的应用)

一、人胚胎干细胞的获得

要研究胚胎干细胞，首先要获得胚胎干 细胞。

(一)获得途径：主要有：

1．从早期胚胎获得

美国Thompson研究小组是从囊胚期胚胎的细胞团中获得胚胎干细胞 ：

体外受精卵 囊胚期 去除滋养层→细胞团 得5株干细胞系

32代(8个月)保持未分化状态 。

2．从原始生殖细胞获得

gearhart小组：

流产胎儿性腺嵴 原始生殖细胞

获得5个多能干细胞系 7个月不分化 。

(图，干细胞获得)

思路：原始生殖细胞是未分化细胞。

3．体细胞移植

分化细胞核(乳腺、皮肤细胞) 去核卵细胞→杂合细胞 发育成囊胚

胚胎干细胞 成体(如多利羊)。

(图，体细胞获得干细胞)

二、胚胎干细胞的主要特征

（一）形态和生化特征

1.形态：细胞体积小，核大，1~多个核仁。离体培养可产生密集的多细胞克隆。

2.生化特征：端粒酶活性高。

3.干细胞物理特性：

如干细胞对Hoechst33324和Rhodamine

123染料不着色。

4. 干细胞表面免疫原性：一般表达胚胎早期的表面抗原，而且有种属差异。

如小鼠胚胎干细胞表达胚胎阶段性特异抗原-1(SSEA-1)，不表达SSEA-3或SSEA-4；

人胚胎干细胞表达SSEA-3或SSEA-4。

(二)干细胞的分离与纯化

1. 借助细胞的生化特征及物理特性，采用荧光细胞分离器从单细胞悬液中即可分离纯化干细胞。

2. 干细胞的理化特征与其分化有关，如上皮干细胞高表达β1整合素，介导干细胞与细胞外基质粘附，抑制干细胞分化。

(三)干细胞的体外培养

由于干细胞数目少，应用时需先在体外进行非分化性增殖，再进行诱导分化。

不同组织来源的干细胞的培养条件不尽相同。

1· 培养条件：

需要许多生长因子和间质细胞的共培养。

如Brustle等在体外培养了鼠的ES细胞。

分离ES细胞 培养 培养

生长增殖 保持分化潜能。

停止供给生长因子，ES细胞分化为寡树突细胞或星状细胞。

2· 分化诱导

在应用前还需依据靶组织类型对培养干细胞进行定向分化诱导。

分化诱导需了解：

①干细胞发育有关的信号调节；

②干细胞发育的微环境。

（四）胚胎干细胞的分化潜能

胚胎干细胞是全能(多能)性干细胞，具有分化为各种组织细胞的潜能。

实验1：移植实验

人胚胎干细胞 小鼠体 畸胎瘤(良性)→有三个胚层产生的组织：

三、胚胎干细胞研究的

伦理挑战

胚胎干细胞研究在伦理、道德和宗教方面遇到很大的障碍。

避孕、流产和体外授精在西方引起很大争议。

(一)存在的问题

1. 胚胎干细胞的来源是否符合法律与道德？

2.胚胎干细胞的应用是否会引起伦理及法律问题？

3.该项研究是否会导致人流泛滥？或导致医生刻意造成胚胎流产？

4.如何看待克隆人的研究？

（二）反对人的观点

1.认为胚胎干细胞研究破坏人类生命，其观念基于人类生命起始于早期胚胎。

2.天主教派极力反对胚胎干细胞研究，认为用人类胚胎干细胞进行研究是一种“”。

(三)支持者的观点

科学界和病人组织强烈呼吁支持这项研究。

2001年4月，James Watson博士(DNA双螺旋结构发明人、冷泉港实验室主任)倡导发起了由80位诺贝尔奖获得者参加的签名运动，呼吁支持干细胞研究。

(四)西方的态度

1．美国总统布什

(1)当选总统前反对，当选后出于政治目的，同意有限支持。

2001年8月9日，布什作出决定，美国资助对2001年8月9日前得到的人体胚胎干细胞研究，但不支持从新的胚胎中获取干细胞的研究。

(2)同时，布什提出成立一个由科学家、医生、伦理学家、律师、神学家等组成的总统生物伦理专家委员会，指导干细胞的研究和管理。由芝加哥大学生物伦理学教授Leon Kass担任。

2．美国国立卫生研究院(NIH)

(1)美国国立卫生研究院是美国联邦支持干细胞研究的主要机构。

(2)NIH的年度经费为204亿美元，2000年投入干细胞研究2.26亿美元，其中用于人体成年干细胞研究为1.41亿美元。

(3)根据布什的决定，NIH对现存人体胚胎干细胞系进行登记，认定世界上有个人体胚胎干细胞系符合联邦资助的标准。

(4)个人体胚胎干细胞系分布在6个的10个机构中：瑞典24个，美国20个，印度10个，澳大利亚6个，以色列4个。

NIH试图用这些人体胚胎干细胞系完成有关人体胚胎干细胞的基础研究工作。

3．其他的态度

(1)德国禁止利用人体胚胎干细胞进行研究。

(2)澳大利亚开始仿效美国的作法，有限支持人体胚胎干细胞的研究。

(3)法国、英国、日本允许利用多余的胚胎和SCNT技术创造的胚胎进行干细胞研究。

第三节 精原干细胞

精原干细胞来自原始生殖细胞。

胚胎外胚层 原始生殖细胞 双侧生殖腺嵴 生精索(

曲细精管) 生精母细胞(精原干细胞的前体细胞) 成体精原干细胞

一、精原细胞的增殖和

干细胞的再生

1．精原细胞的形态特征：

精原细胞紧贴于曲细精管的基膜，圆形或卵圆形，φ12μm，核大，除核糖体外其它细胞器不发达。

2．精原细胞的增殖与类型：

精原细胞分为A型和B型。

A型：常染色质丰富，核仁常靠近核膜，根据在曲细精管局部的排列特征，又分为Asingle、Apaired和Aaligned三种类型。

B型：分化型精原细胞。

其中Apr型即是进入精子分化的第一步。

A1型标志精原细胞开始定向分化。

B型标志精子开始形成。

二、精原细胞的分化及其控制

1．分化

Aal型精原细胞 A1型 精子

A1型精原细胞是精子形成的不可逆的点。机体对这一点有相当严格的控制。

2．分化控制

(1)精原细胞分化抑制的影响因素：

动物模型研究表明，精子发生存在可逆性抑制，使A1型精原细胞不分化而增殖。

其影响因素如sertoli细胞的中毒、辐射损伤、维生素缺乏甚至睾丸温度升高等。

(1) 细胞毒性药物致分化抑制

sertoli细胞毒性药物2，5-己二酮

小鼠A1型精原细胞不能分化。

用促性腺激素释放激素的激动剂治疗后，药物导致的分化抑制得以缓解。

说明激素水平可以调节生殖细胞的分化。

(2) Kit受体的作用

①Kit受体：即干细胞生长因子受体。属于生长因子受体类的原癌基因产物。

②作用：原始生殖细胞表达Kit受体，sertoli细胞分泌干细胞因子(SCF)。SCF通过与Kit受体结合促进细胞增殖。

③干细胞因子：有两种形式

在已二酮(hexanedione)导致精子发生衰退的大鼠中，sertoli细胞表达可溶性因子，经激素治疗后，膜包被型数量增加。表明Kit-SCF在精原细胞分化中的作用。

(3) VitA的作用

VitA缺乏→精细胞退化，补充VitA或维甲酸→分化重新开始

推测：A型精原细胞中有维甲酸的核受体，因此维甲酸对A型精原细胞有作用，但这种作用依赖sertoli细胞。

三、精原细胞的凋亡

精子发生过程过细胞凋亡调节分化型精原细胞的密度。

分化型精原细胞在曲细精管不同部位差别很大，但原始生殖母细胞密度变化很小，是因为分化型的精原细胞在不同部位选择性地凋亡。

精子发生过程中的凋亡相关基因

（一）Bcl-2家族

1. bcl-2基因

①bcl-2基因：是1985年发现的一个原癌基因，与Ced基因有23%同源性。

②Bcl-2蛋白：bcl-2基因编码26kd的膜蛋白，存在于线粒体、核膜、质网膜上。生理功能主要是阻遏细胞凋亡，延长细胞寿命，对细胞增殖率和分化不产生影响。

2. Bcl-2 家族

(1)Bcl-2 家族：

Bcl-2家族包括Bcl-2结合蛋白和Bcl-2同源蛋白，它们在结构上有同源性，共同具有2个保守区域：即Bcl-2同源区BH1和BH2区段，功能相关，即诱导或抑制细胞凋亡。

这些蛋白包括Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-xs、Bax、Bad、Bad-1以及线虫的CED-9等。

(2) Bcl-2 家族在细胞存在形式：

由于它们的同源结构，可以形成同源二聚体或异源二聚体。如：

同源二聚体Bcl-2-Bcl-2；

异源二聚体Bcl-2-Bax。

(3)Bcl-2蛋白家族主要成员及生理功能：

①Bcl-2：抑制细胞凋亡

②Bax ：诱导细胞凋亡

③bcl-x：通过mRNA不同剪切形成两种蛋白，Bcl-xl和Bcl-xs。

3. Bcl-2抑制凋亡的机制

Bcl-2抑制凋亡作用是通过与促凋亡基因Bax形成异源二聚体来实现。

(1)Bcl-2、Bax和Bcl-X的凋亡控制系统：

①Bax同源二聚体Bax-Bax，诱导凋亡；

②Bcl-2与Bax形成Bcl-2-Bax异源二聚体，结构比Bax-Bax同源二聚体更稳定，可“中和” Bax-Bax二聚体诱导凋亡的作用。

即细胞Bcl-2与Bax的表达水平调节细胞生存或凋亡。

③当Bcl-xs存在时，优先与Bcl-2形成异源Bcl-xs-Bcl-2二聚体，而使游离的Bax得以形成同源二聚体，诱导凋亡发生。

此时Bcl-2表达并不抑制细胞凋亡。

(2)Bcl-2家族蛋白抑制凋亡的分子机理：

Bcl-2家族蛋白形成异源二聚体，是依赖其同源结构域BH1和BH2。当Bcl-2中BH1和BH2区域的特定氨基酸被转换后，不能与Bax形成二聚体，而自身形成同源二聚体Bcl-2-Bcl-2，其抑制凋亡的功能丧失。

(3)精原细胞中的Bcl-2家族

①精原细胞不存在Bcl-2，但在Bcl-2转基因小鼠中，局部高密度诱导的精原细胞凋亡消失。

说明虽然Bcl-2蛋白本身并不参与，但其家族成员控制着精子发生过程。即Bax和Bcl-X的表达和作用平衡控制精原细胞的密度相关性调亡。

②睾丸中表达Bcl-X基因有两种变异体Bcl-Xs和Bcl-Xl，前者促凋亡，后者抑凋亡。

③Bax基因是控制精原细胞凋亡的重要因素。剔除Bax基因小鼠无生育能力，其睾丸组化特征与Bcl-2和Bcl-Xl转基因小鼠相似，都表现出精细胞的聚集。

（二）P53蛋白

1．P53蛋白是由p53基因编码的由393个aa构成的核磷蛋白。在许多组织中有表达，特别是在胸腺、脾、睾丸和卵巢中表达量很高。

p53基因位于17q13。

2．p53蛋白的生物学功能

(1)p53蛋白与细胞中DNA损伤：

DNA损伤严重→p53蛋白表达水平急剧增加→细胞停止在G1期，等待细胞对DNA进行修复。

即p53通过监视DNA的忠实性和稳定性而调节细胞增殖，防止肿瘤发生。

(2)p53蛋白与细胞周期的控制：

野生型p53可以阻止细胞转化，抑制细胞成瘤能力。

p53是一个转录因子类的蛋白，可以促进细胞某些基因的表达。如GADO-45，mdm-2和p21基因。

p53蛋白抑制细胞的功能很可能与促进p21基因表达有关，因为p21蛋白是细胞周期促进因子CDK的抑制剂。p21蛋白可通过与CDK结合而抑制CDK的激酶活性，从而使细胞停止在G1期。即p53蛋白在细胞通过促进p21基因的表达而抑制细胞周期。

(3)P53蛋白与癌蛋白的作用：P53蛋白可被癌基因产物结合而失活。

(4)P53蛋白对细胞凋亡的作用：P53蛋白水平增加可使有些类型的细胞发生凋亡，其机制之一就是当细胞中DNA损伤太严重时，细胞自身难以修复，选择凋亡以保证器官功能正常。

3．P53蛋白与精原细胞凋亡

(1)p53缺陷型小鼠睾丸中A1型精原细胞比野生型小鼠多50%。

p53缺陷导致A1型精原细胞多的2种原因：一是正常p53蛋白参与不分化精原细胞的周期调节，二是正常p53蛋白可诱导这些细胞凋亡。

(2)p53缺陷型小鼠细线期精母细胞的数量与野生型小鼠相近，说明p53缺陷型小鼠仍能精确控制精原细胞分化水平。

第四节 成体干细胞

成体组织或器官中，许多细胞仍具有自我更新及分化产生不同组织细胞的能力，如血液细胞、皮肤细胞、受损的肝组织细胞等。这些细胞即是成体干细胞.

一、造血干细胞

造血干细胞是第一种被认识的组织特异性细胞。1961年Till和McCulloch首次通过小鼠脾集落形成实验证实造血干细胞在成体的存在。

1．形态：一般认为造血干细胞的形态类似小淋巴细胞。

2．细胞表面标志：表面标志比较多，临床上应用最多的是CD34。还可与KDR

(kinase insert domain recepter)配合鉴定造血干细胞和造血祖细胞。

实验：Zieglar用致死剂量照射小鼠后进行细胞移植实验。

3．造血干细胞的胚胎发生

中胚层细胞 造血环境(大动脉、性腺脊、中期肾区) 胎肝 髓系及淋巴系的前体细胞 骨髓

4．造血干细胞的

(1)维持造血干细胞的数目恒定：干细胞因子

(2)影响干细胞的移行、数目维持、分化：成纤维细胞生长因子(FGF-1，FGF-1)、SDF-1、细胞外基质。

二、间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)

1．间充质干细胞的位置

间充质干细胞附着于骨髓窦的腔面，形成 一种包埋于窦状网络中的三维细胞网络。(图，间充质干细胞)

2．MSC的分离与表面标志

(1)分离：

骨髓抽提物取1./ml密度界面上的细胞，贴壁生长的细胞中95~98%为MSC。根据细胞表面抗原获得MSC。

(2)MSC的特异性表面标志

通过流式细胞仪分析，间充质干细胞特异性表面抗原有：SH2、SH3、CD29、CD44、CD71、CD90、CD106、CD120a、CD124。

3．间充质干细胞的分化方向

间充质干细胞可分化为多种间充质组织。如骨、关节、脂肪、肌腱、肌肉、骨髓基质等。

来源不同或在不同条件下，间充质干细胞可分化相应组织细胞。

如骨髓中的间充质干细胞可分化脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞。

在含有1-甲基-3-异丁基黄嘌呤、地塞米松、吲哚美辛的培养基中，95%间充质干细胞分化为脂肪细胞。

在含TGF-β3的无血清培养基中，间充质细胞会分化为软骨细胞。

由于间充质细胞在体外可以相对容易地诱导出骨细胞、软骨细胞，可在骨损伤、先天性骨畸形有治疗中有广泛应用。

三、神经干细胞

传统观点：神经细胞无再生能力。

新发现：中枢神经系统中部分细胞仍具有自我更新及分化产生成熟脑细胞的能力，这些细胞被称为神经干细胞。

1．神经干细胞的存在部位

哺乳动物中脑侧室的室管膜下区包括室管膜的细胞中存在有增殖能力的干细胞。

成体的下脑室区、嗅球及海马区是神经干细胞存在的部位。

1992年Rynolds和Weiss首先从成体小鼠脑旁侧室膜下的神经组织中分离并培养了神经干细胞。

Svendsen等用同样的方法从人的胚胎中分离出神经干细胞。

神经干细胞持续→每周传代一次，可维持一年以上。

2．神经干细胞的生化特性

神经干细胞表达巢素蛋白，所有的神经干细胞都巢素蛋白阳性。

巢素蛋白的表达始于神经胚形成期，当神经细胞迁移基本完成后，合成开始下降，神经细胞完成分化，巢素蛋白表达停止。

3．神经干细胞的维持与分化

(1)促进细胞增殖的因素：

表皮生长因子(EGF)，成纤维细胞生长因子-2(FGF-2)，对干细胞的存活、增殖和分化起重要作用。

EGF的主要作用是维持神经干细胞生存； FGF-2主要是以对细胞分化起作用。

(2)促进神经干细胞分化的因素：小牛血清。

用小牛血清替代EGF培养神经干细胞，细胞分化为星形胶质细胞、少突状细胞和神经元；巢素蛋白逐渐减少，出现神经元特有的微管结合蛋白–2及胶质细胞的特征性神经胶质原纤维酸性蛋白。

四、表皮干细胞

1．表皮干细胞的存在部位

(1)表皮干细胞位于表皮基底层。属于专能干细胞。能周期性的进入分化程序，最终分化为角质细胞。

(2)表皮增殖单位：位于基底层的干细胞和分布在它周围的由它形成的子细胞，共9个，组成一个柱状细胞群，称为一个表皮增殖单位。

(3)表皮干细胞的分化：

表皮增殖单位边缘的子细胞脱离基底膜后向上迁移经过棘细胞层和颗粒层细胞，最终形成角质化无核细胞。这层细胞不断脱落，由新生的细胞不断补充。

人体不同部位的皮肤更新速度约2~4周。在细胞迁移过程中，角质化伴随着分化过程。

2．毛囊干细胞

毛囊组成：由外根鞘、根鞘和发干组成。

毛囊球：包括间充质细胞(团)构成的毛乳头和基质细胞。

基质细胞：产生根鞘和发干的活跃细胞称为基质细胞。是存在于毛囊球中的一群可的上皮细胞。

毛乳头中的间充质细胞即是毛囊干细胞。

毛囊干细胞需在毛囊的膨胀部位进行增殖。当基质细胞失去增殖能力时，毛囊退化，拉动毛乳头细胞团进入膨胀部位，毛乳头细胞团接受信号刺激后，膨胀部位的干细胞增殖产生新的毛囊。

毛囊中的干细胞同样可以产生表皮，尤其在外伤或烧伤后能重建表皮毛发。

3．表皮干细胞的生化标志

(1)表达角蛋白5(keratin 5，K5)和K14分子：同角细胞相同。产生的角蛋白在成熟皮肤细胞中形成中间网络，使表皮细胞形成一个整体，并具有韧性。

表达整合素：与Ⅳ型胶原和纤维粘合素粘附。以这种方式与基底膜相连。当这种粘附力下降时，干细胞易从干细胞巢脱落，向表皮分化。

干细胞高表达整合素和粘附素，在维持干细胞增殖和存活的信号传导途径中发挥重要作用。

毛囊干细胞的增殖潜能非常大，体外一单独的毛囊干细胞在合适的条件下产生的子细胞数多达1.7×1038，大大超过了覆盖整个成体体表所需的细胞数。

五、肠干细胞

1．肠干细胞的位置

肠表面由被肠腺围绕并根植于肠壁的绒毛组成，每一肠腺大约有250个细胞，其中有肠干细胞，位于肠腺的基部或近基部。

2．肠干细胞的增殖与分化

小肠绒毛上皮细胞的更新是从隐窝底部的干细胞开始。

成的一个子细胞保持增殖能力，返回增殖池，另一个子细胞向上迁移，并逐渐失去能力，分化为上皮细胞，至绒毛顶部死亡脱落。

肠干细胞增殖缓慢(Tc≥24小时)→过渡放大细胞(Tc=11小时)→迁移并分化→死亡落入肠腔。

3．肠干细胞的生化特征与分离

(1)肠干细胞表达中间纤维K8、K18、K19

(2)肠干细胞的体外培养至今未成功

4．肠干细胞的增殖分化调节

(1)转录因子调节

β-连环蛋白与 Lef/Tcf家族成员结合Tcf4，启动促进细胞增殖的基因转录，细胞增殖。机制与皮肤干细胞的一致。

实验：Tcf4缺失小鼠肠干细胞发育缺陷。Lef/Tcf-β-catenin 有促进干细胞增殖，弱化干细胞在巢中附着的重要功能。

(2)蛋白质调节

肠干细胞合成的角蛋白K8可促进细胞分化。缺乏K8蛋白的小鼠有大肠增生现象。表明角蛋白表达水平可影响干细胞增殖和迁移。

(3)细胞分泌物的调节

小肠E-钙粘素的高表达抑制肠腺增生并诱导凋亡。整合素及其胞间配体对肠干细胞数目维持也有重要作用。

第五节 干细胞应用研究重点

一、移植研究—恢复器官功能

1．细胞治疗。

干细胞可恢复因重大疾病而损害的细胞，这是干细胞潜在的最大优势。

由于丧失正常细胞功能的疾病都可以通过移植由胚胎干细胞分化来的特异组织细胞来治疗。(图，干细胞及其应用)

如用神经细胞治疗神经变性疾病(帕金森氏综合征、享廷顿舞蹈症、老年痴呆症等)；

用胰岛细胞治疗糖尿病；

用心肌细胞修复坏死的心肌等。

因为成年人的心脏和胰岛几乎没有干细胞，无法靠自身得到修复。可以用人体胚胎干细胞能直接分化成相应细胞进行移植。

2．基因治疗。即通过胚胎干细胞和基因工程技术，矫正缺陷基因。

因干细胞能自我复制更新，是基因治疗的理想靶细胞。将治疗基因整合到干细胞，再将干细胞移植入人体中，能够持久地发挥作用，而不担心像分化的细胞那样，在细胞更新中可能丢失治疗基因的结果。

例如，对囊性纤维化病的治疗。

囊性纤维化病是一种基因缺陷遗传病，30岁以前致死。若在胚胎早期干细胞中将缺陷基因修正，再将修复后的胚胎干细胞嵌入胚胎中， 将会生出一个健康的婴儿。

由于伦理和某些技术问题，现在还未展开此类实验。

二、基础研究

1．利用干细胞研究解释先天缺陷的产生原因和防治方法。

2．将发育生物学与干细胞生物学相关联，研究干细胞生长与分化的遗传控制与环境条件等，便于在实验室中进行干细胞的培养和分化。

三、癌症治疗

研究人员正试图设计多种方法，使特定细胞能击中特定癌细胞，直接破坏或改变癌细胞。

四、我国干细胞研究概况

1. 需要：我国人口多，需要干细胞移植治疗的疾病发病率与其他相同。

2. 迫切：我庭结构以独生子女为主，能提供具有相同或相关基因组织器官的可能性低，因此对干细胞及其衍生组织需求量大、迫切。

3. 研究与应用：

我国的干细胞研究和应用有一定基础，研究和应用最多的是造血干细胞。

如骨髓移植治疗血液病于20世纪70年代末开始，90年代以来已逐步普及应用外周血和脐血干细胞移植治疗血液病和肿瘤。