第十四章干细胞与表观遗传第一节干细胞概述干细胞（stemcell）是一类具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。根据这一定义，在个体发育的不同阶段、不同组织中均存在着干细胞，只是随着发育过程的延伸，干细胞的数量和分化潜能均逐渐降低。干细胞的分类根据研究角度的不同主要有两种方法。1.根据细胞来源将干细胞分成胚胎干细胞、成体干细胞和诱导型多能干细胞。胚胎干细胞是指源自囊胚内细胞团的胚胎干细胞（embryonicstemcell，ES）和来源于早期胎儿原始生殖蝽的胚胎生殖细胞（embryonicgermcell，EG）。成体干细胞（adultstemcell）是指组织和器官特异性干细胞。诱导型多能干细胞（inducedpluripotentstemcell，iPS）是在体外将终末分化细胞分化，而诱导获得的多能干细胞。2.按其分化潜能的高低将干细胞分为全能干细胞（totipotentstemcell）多能干细胞（pluripotent stemcell）和单能干细胞（monopotentstemcell）。哺乳动物的生命起源于受精卵，受精卵经卵裂进行增殖并分化成200多种不同类型的细胞而发育成一个完整个体，细胞的这种潜能称全能性（totipotency），具有这种潜能的细胞称为全能干细胞。受精卵经卵裂分裂为8~16个细胞时，每个细胞仍保持这种全能性，此时，将其中任一细胞移人子宫中，均可发育成一个完整个体。进人囊胚期后，整个胚胎开始最早期分化，此时形成的内细胞团细胞已失去了发育成完整个体的能力，但仍具有分化成包括生殖细胞在内的各种类型细胞的潜能，即所谓的多能干细胞。例如，造血干细胞可分化出至少12种血细胞；骨髓间充质细胞不但可以分化为中胚层的多种组织细胞（骨、软骨、肌肉和脂肪等），还可以分化为其他胚层的细胞（如神经元）。单能干细胞则只能向单一方向分化，形成一种类型的细胞，如神经干细胞只能分化成神经元。干细胞的基本特性千细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，可以分化产生一种以上的“专业”细胞。干细胞在形态上有一些共性，通常胞体小，呈圆形或椭圆形，核质比例相对大。不同类型干细胞的形态特征有所不同，生化特点也各有差异，如各种干细胞其表面标记性分子就有很大差异，这对于寻找和鉴定干细胞有重要意义。干细胞的基本特点包括：①属非终未分化细胞，终身保持未分化和低分化特征，具有多向分化潜能。②具有无限的增殖分裂能力，能够进行自我更新。③可连续分裂数代，也可在较长时间内处于静止状态。（一）干细胞的自我复制千细胞的自我复制在一定条件下，干细胞可以根据所处的内环境，通过自我复制的方式，以保持其257医学细胞--正文.indd2572018-5-18 17:32:08
www.hep.com.cn 257 第十四章 干细胞与表观遗传 第一节 干细胞概述 干细胞（stem cell）是一类具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定条件下，它可 以分化成多种功能细胞。根据这一定义，在个体发育的不同阶段、不同组织中均存在着 干细胞，只是随着发育过程的延伸，干细胞的数量和分化潜能均逐渐降低。 干细胞的分类根据研究角度的不同主要有两种方法。 1. 根据细胞来源 将干细胞分成胚胎干细胞、成体干细胞和诱导型多能干细胞。胚 胎干细胞是指源自囊胚内细胞团的胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES）和来源于早 期胎儿原始生殖嵴的胚胎生殖细胞（embryonic germ cell，EG）。成体干细胞（adult stem cell）是指组织和器官特异性干细胞。诱导型多能干细胞（induced pluripotent stem cell， iPS）是在体外将终末分化细胞分化，而诱导获得的多能干细胞。 2. 按其分化潜能的高低 将干细胞分为全能干细胞（totipotent stem cell）、多能干细 胞（pluripotent stem cell）和单能干细胞（monopotent stem cell）。哺乳动物的生命起源于 受精卵，受精卵经卵裂进行增殖并分化成 200 多种不同类型的细胞而发育成一个完整个 体，细胞的这种潜能称全能性（totipotency），具有这种潜能的细胞称为全能干细胞。受 精卵经卵裂分裂为 8～16 个细胞时，每个细胞仍保持这种全能性，此时，将其中任一细 胞移入子宫中，均可发育成一个完整个体。进入囊胚期后，整个胚胎开始最早期分化， 此时形成的内细胞团细胞已失去了发育成完整个体的能力，但仍具有分化成包括生殖细 胞在内的各种类型细胞的潜能，即所谓的多能干细胞。例如，造血干细胞可分化出至少 12 种血细胞；骨髓间充质细胞不但可以分化为中胚层的多种组织细胞（骨、软骨、肌肉 和脂肪等），还可以分化为其他胚层的细胞（如神经元）。单能干细胞则只能向单一方向 分化，形成一种类型的细胞，如神经干细胞只能分化成神经元。 一、干细胞的基本特性 干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，可以分化产生一种以上的“专业” 细胞。干细胞在形态上有一些共性，通常胞体小，呈圆形或椭圆形，核质比例相对大。不 同类型干细胞的形态特征有所不同，生化特点也各有差异，如各种干细胞其表面标记性分 子就有很大差异，这对于寻找和鉴定干细胞有重要意义。干细胞的基本特点包括：①属非 终末分化细胞，终身保持未分化和低分化特征，具有多向分化潜能。②具有无限的增殖 分裂能力，能够进行自我更新。③可连续分裂数代，也可在较长时间内处于静止状态。 （一）干细胞的自我复制 在一定条件下，干细胞可以根据所处的内环境，通过自我复制的方式，以保持其 干细胞的自我复制 医学细胞-正文.indd 257 2018-5-18 17:32:08
第十四章干细胞与表观遗传自身数目的稳定。干细胞的分裂方式可以是对称分裂（symmetrydivision），即两个子细胞都是干细胞或都是分化细胞；也可以是不对称分裂（asymmetrydivision），即产生一个子代干细胞和一个子代分化细胞（图14-1)。在正常生理状态下，干细胞大多是以不对称分裂方式补充组织在自我更新过程中衰老和死亡的细胞；但在创伤等应激状态时，由于需要大量的细胞替代和图14-1干细胞不对称分裂补充坏死的组织细胞，干细胞的分裂方式可能就不再仅限于不对称分裂方式。1.干细胞增殖的缓慢性干细胞缓慢增殖的意义是有利于干细胞对特定的外界信号做出反应，以决定其细胞是进入增殖状态，还是进入特定分化程序。这种缓慢增殖特性还可以减少基因发生突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误，那些无法修复的细胞，则进入调亡程序。2.干细胞增殖的自稳定性在生物体个体漫长的发育中，干细胞不断自我更新并可维持自身数目恒定，这种现象称为干细胞的自稳定性（self-maintenance）。干细胞通过两种分裂方式来维持其自稳定性，即对称分裂和不对称分裂。当组织处于稳定状态时，干细胞通常进行不对称分裂。干细胞系有可能作为“种子细胞”，用于细胞替代疗法来治疗各种难治疾病。这种巨大的医学应用前景能否得以实现，首要问题是使干细胞在体外不断增殖的同时，又维持不分化状态。研究表明，白血病抑制因子（leukemiainhibitoryfactor，LIF）白介素-6（IL-6）转录因子Oct-4和Nanog等外源性因子可维福持胚胎干细胞在体外不分化的高度增殖状态。（二）干细胞的分化1.干细胞具有产生一种或一种以上特定功能细胞的分化潜能干细胞的另一个重要特征是可分化为多种功能细胞类型。在人类或成年哺乳类动物的个体发育中，最初一个受精卵，在发育成熟后，分化的细胞种类多达200多种，如神经细胞、上皮细胞、血管内皮细胞、成骨细胞和软骨细胞等。2.干细胞的分化具有一定的可塑性干细胞分化的可塑性是指干细胞在适当的条件下，可以发生转分化（transdifferentiation）或去分化（dedifferentiation）的现象。一种组织类型中的干细胞，在特定的条件下分化为另一种组织类型的细胞的现象，称为干细胞的转分化。一直以来，成体干细胞被认为只能向一种类型或与之密切相关的细胞分化如神经干细胞只能向神经系统的细胞（神经元、神经胶质细胞）分化而不能分化成其他类型的细胞。然而，最近一系列的实验研究结果对这一观点提出了挑战。成体干细胞可能具有更广泛的分化潜能。例如，骨髓干细胞在适当条件下可分化为骨髓肌细胞、肝细胞、肾细胞、心肌细胞，甚至神经元。提示这种已部分特化、具有特殊功能的专能干细胞具有较大的可塑性。十细胞向其前体细胞读向转化的现象称为去分化。有实验表明，当把来自成体鼠的造血干细胞注入鼠卵泡的内细胞团后，成体鼠造血干细胞的分化状态可以发生逆转，开始表达胎儿的珠蛋白基因，并参与胚胎造血系统的发育。这一结果，在一定程度上暗示了去分化现象存在的可能性。（三）干细胞增殖分化的调控机制干细胞自我复制和多潜能分化在体内受到严格的调控，以保持干细胞和特定功能细258医学细胞--正文.indd-2582018-5-18 17:32:0
www.hep.com.cn 258 第十四章 干细胞与表观遗传 自身数目的稳定。干细胞的分裂方式可以是对称分裂 （symmetry division），即两个子细胞都是干细胞或都是 分化细胞；也可以是不对称分裂（asymmetry division）， 即 产 生 一 个 子 代 干 细 胞 和 一 个 子 代 分 化 细 胞（图 14-1）。在正常生理状态下，干细胞大多是以不对称分 裂方式补充组织在自我更新过程中衰老和死亡的细胞； 但在创伤等应激状态时，由于需要大量的细胞替代和 补充坏死的组织细胞，干细胞的分裂方式可能就不再 仅限于不对称分裂方式。 1. 干细胞增殖的缓慢性 干细胞缓慢增殖的意义是有利于干细胞对特定的外界信号 做出反应，以决定其细胞是进入增殖状态，还是进入特定分化程序。这种缓慢增殖特性 还可以减少基因发生突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误，那些无 法修复的细胞，则进入凋亡程序。 2. 干细胞增殖的自稳定性 在生物体个体漫长的发育中，干细胞不断自我更新并 可维持自身数目恒定，这种现象称为干细胞的自稳定性（self-maintenance）。干细胞通 过两种分裂方式来维持其自稳定性，即对称分裂和不对称分裂。当组织处于稳定状态 时，干细胞通常进行不对称分裂。干细胞系有可能作为“种子细胞”，用于细胞替代疗 法来治疗各种难治疾病。这种巨大的医学应用前景能否得以实现，首要问题是使干细 胞在体外不断增殖的同时，又维持不分化状态。研究表明，白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）、白介素 -6（IL-6）、转录因子 Oct- 4 和 Nanog 等外源性因子可维 持胚胎干细胞在体外不分化的高度增殖状态。 （二）干细胞的分化 1. 干细胞具有产生一种或一种以上特定功能细胞的分化潜能 干细胞的另一个重要 特征是可分化为多种功能细胞类型。在人类或成年哺乳类动物的个体发育中，最初一个 受精卵，在发育成熟后，分化的细胞种类多达 200 多种，如神经细胞、上皮细胞、血管 内皮细胞、成骨细胞和软骨细胞等。 2. 干细胞的分化具有一定的可塑性 干细胞分化的可塑性是指干细胞在适当的条件 下，可以发生转分化（transdifferentiation）或去分化（dedifferentiation）的现象。一种组 织类型中的干细胞，在特定的条件下分化为另一种组织类型的细胞的现象，称为干细胞 的转分化。一直以来，成体干细胞被认为只能向一种类型或与之密切相关的细胞分化， 如神经干细胞只能向神经系统的细胞（神经元、神经胶质细胞）分化而不能分化成其他 类型的细胞。然而，最近一系列的实验研究结果对这一观点提出了挑战。成体干细胞可 能具有更广泛的分化潜能。例如，骨髓干细胞在适当条件下可分化为骨髓肌细胞、肝细 胞、肾细胞、心肌细胞，甚至神经元。提示这种已部分特化、具有特殊功能的专能干细 胞具有较大的可塑性。干细胞向其前体细胞逆向转化的现象称为去分化。有实验表明， 当把来自成体鼠的造血干细胞注入鼠卵泡的内细胞团后，成体鼠造血干细胞的分化状态 可以发生逆转，开始表达胎儿的珠蛋白基因，并参与胚胎造血系统的发育。这一结果， 在一定程度上暗示了去分化现象存在的可能性。 （三）干细胞增殖分化的调控机制 干细胞自我复制和多潜能分化在体内受到严格的调控，以保持干细胞和特定功能细 图 14-1 干细胞不对称分裂 医学细胞-正文.indd 258 2018-5-18 17:32:08
第一节干细胞概述胞在特定组织内的平衡。目前认为，这个调控机制可能与它所在组织中的微环境有关，这种微环境称为干细胞巢（stemcellniche）。干细胞增殖和分化的调控是通过干细胞和微区的相互作用而实现的，其中细胞分泌因子、细胞间的相互作用及细胞外基质成分均对干细胞的生存和发育起重要的调控作用。1.干细胞巢中的分泌因子是于细胞增殖分化的调控因子于细胞巢中的分泌因子口以是干细胞自身分泌的，也可以来自外围细胞或其他组织细胞，它们对于干细胞增殖与分化的调控具有重要作用。在不同的干细胞微环境中，以及不同的生理或发育状态下，分泌因子的种类及其水平可以有很大差别，但它们总是与机体发育或生理状态的需求相适应的。转化生长因子β（TGF-β）和Wnt家族的信号分子在多种干细胞的不对称分裂及维持十细胞自我更新方面起重要作用。2.细胞间直接的相互作用也是干细胞增殖分化的一种调控因素在干细胞巢中，除游离的分泌因子可以对干细胞发挥作用外，有些调控干细胞命运的信号分子则是通过细胞与细胞之间的直接接触而发挥作用的。这种相互作用通常是由整合膜蛋白所介导的。在相互作用的两个细胞中，一个细胞中跨膜蛋白的胞外段作为配体，另一个细胞的跨膜蛋白的胞外段则作为受体。许多介导细胞与细胞黏附的受体分子都是整合膜蛋白，但是这种细胞间黏附对干细胞的调节作用目前认识不多。已知Notch介导的细胞间作用对果蝇感受器官的正常发育必不可少。例如在神经系统，分布在细胞质内的蛋白因子Numb可抑制跨膜分子Notch的活性，从而阻断Notch通过其Delta配体对神经干细胞分化的抑制作用，促使神经干细胞走向分化。3.整联蛋白和细胞外基质参与干细胞巢的结构体系的形成整联蛋白（integrin）是一类细胞黏附分子，有维系干细胞在组织中正确位置的作用，否则干细胞会脱离生存环境而分化或调亡。其作用依赖于Ca+介导的细胞与细胞间的相互作用，以及细胞与细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）间的相互作用。ECM有调节干细胞微环境中局部分泌因子浓度的作用，整联蛋白的激活和表达也要受ECM蛋白的调节。目前研究较多的ECM因子为β整联蛋白，其高表达对于表皮干细胞的维持是至关重要的。二、胚胎干细胞胚胎干细胞（ES细胞）具有分化为个体中任何细胞类型的潜能，有以下特点：①体外培养可以无限增殖。②可以长期保持原始未分化的状态。③可以分化成为衍生于3个胚层的各类组织细胞，包括生殖细胞。而且还可将其与受体胚胎嵌合，形成嵌合体（可嵌合进人包括生殖腺在内的各种组织）。因此，胚胎干细胞在哺乳动物早期胚胎发育、细胞分化和基因表达调控等发育生物学问题的研究方面具有特殊的生物学意义和实用价值。1.人胚胎干细胞的形态学特点人胚胎干细胞在形态上与早期胚胎细胞相似，细胞较小，核质比高，细胞核明显，有一个或多个核，染色质较分散，胞质内除游离核糖体外，其他细胞器很少；体外培养细胞呈多层集落状生长，紧密堆积在一起，无明显细胞界限。胚胎干细胞染色体为稳定的二倍体核型。2.人胚胎干细胞分子标记与生化特征胚胎十细胞为未分化的多能性细胞，它表达早期胚胎细胞、畸胎瘤细胞的表面抗原。Oct-4为目前广泛用于鉴定胚胎干细胞是否处于未分化状态的一个重要的标记分子。另外还有一些其他的标记分子，如碱性磷酸酶、259医学细胞--正文.indd252018-5-1817:32
www.hep.com.cn 259 第一节 干细胞概述 胞在特定组织内的平衡。目前认为，这个调控机制可能与它所在组织中的微环境有关， 这种微环境称为干细胞巢（stem cell niche）。干细胞增殖和分化的调控是通过干细胞和 微区的相互作用而实现的，其中细胞分泌因子、细胞间的相互作用及细胞外基质成分均 对干细胞的生存和发育起重要的调控作用。 1. 干细胞巢中的分泌因子是干细胞增殖分化的调控因子 干细胞巢中的分泌因子可 以是干细胞自身分泌的，也可以来自外围细胞或其他组织细胞，它们对于干细胞增殖与 分化的调控具有重要作用。在不同的干细胞微环境中，以及不同的生理或发育状态下， 分泌因子的种类及其水平可以有很大差别，但它们总是与机体发育或生理状态的需求相 适应的。转化生长因子 β（TGF-β）和 Wnt 家族的信号分子在多种干细胞的不对称分裂 及维持干细胞自我更新方面起重要作用。 2. 细胞间直接的相互作用也是干细胞增殖分化的一种调控因素 在干细胞巢中，除 游离的分泌因子可以对干细胞发挥作用外，有些调控干细胞命运的信号分子则是通过细 胞与细胞之间的直接接触而发挥作用的。这种相互作用通常是由整合膜蛋白所介导的。 在相互作用的两个细胞中，一个细胞中跨膜蛋白的胞外段作为配体，另一个细胞的跨膜 蛋白的胞外段则作为受体。许多介导细胞与细胞黏附的受体分子都是整合膜蛋白，但是 这种细胞间黏附对干细胞的调节作用目前认识不多。已知 Notch 介导的细胞间作用对果 蝇感受器官的正常发育必不可少。例如在神经系统，分布在细胞质内的蛋白因子 Numb 可抑制跨膜分子 Notch 的活性，从而阻断 Notch 通过其 Delta 配体对神经干细胞分化的抑 制作用，促使神经干细胞走向分化。 3. 整联蛋白和细胞外基质参与干细胞巢的结构体系的形成 整联蛋白（integrin） 是一类细胞黏附分子，有维系干细胞在组织中正确位置的作用，否则干细胞会脱离生存 环境而分化或凋亡。其作用依赖于 Ca2+ 介导的细胞与细胞间的相互作用，以及细胞与细 胞外基质（extracellular matrix，ECM）间的相互作用。ECM 有调节干细胞微环境中局部 分泌因子浓度的作用，整联蛋白的激活和表达也要受 ECM 蛋白的调节。目前研究较多 的 ECM 因子为 β 整联蛋白，其高表达对于表皮干细胞的维持是至关重要的。 二、胚胎干细胞 胚胎干细胞（ES 细胞）具有分化为个体中任何细胞类型的潜能，有以下特点：① 体外培养可以无限增殖。②可以长期保持原始未分化的状态。③可以分化成为衍生于 3 个胚层的各类组织细胞，包括生殖细胞。而且还可将其与受体胚胎嵌合，形成嵌合体 （可嵌合进入包括生殖腺在内的各种组织）。因此，胚胎干细胞在哺乳动物早期胚胎发 育、细胞分化和基因表达调控等发育生物学问题的研究方面具有特殊的生物学意义和实 用价值。 1. 人胚胎干细胞的形态学特点 人胚胎干细胞在形态上与早期胚胎细胞相似，细胞 较小，核质比高，细胞核明显，有一个或多个核仁，染色质较分散，胞质内除游离核糖 体外，其他细胞器很少；体外培养细胞呈多层集落状生长，紧密堆积在一起，无明显细 胞界限。胚胎干细胞染色体为稳定的二倍体核型。 2. 人胚胎干细胞分子标记与生化特征 胚胎干细胞为未分化的多能性细胞，它表达 早期胚胎细胞、畸胎瘤细胞的表面抗原。Oct-4 为目前广泛用于鉴定胚胎干细胞是否处 于未分化状态的一个重要的标记分子。另外还有一些其他的标记分子，如碱性磷酸酶、 医学细胞-正文.indd 259 2018-5-18 17:32:09
第十四章干细胞与表观遗传Genesis、TRA-1-60、TRA-1-81、GCTM-2和CD30等。此外，胚胎干细胞端粒酶持续高水平表达，因此，这些细胞在分裂后保持端粒长度，维持细胞的不死性。3.人胚胎干细胞具有向3个胚层组织细胞分化的潜能个体发育中，存在于囊胚内细胞团中的胚胎干细胞具有分化为后续发育个体的任何组织细胞的潜能。胚胎干细胞可分化为各种类型的细胞，如脂肪细胞、星形胶质细胞、心肌细胞、软骨细胞、造血细胞、树突状细胞及胰岛细胞等。三、成体干细胞生物体组织需要干细胞来维持正常的更新和损伤后修复，在已经充分发育的组织中也确实存在着这类干细胞，称为成体干细胞。成体干细胞和胚胎干细胞两者虽然都具有干细胞的基本特征即增殖和分化的能力，但还是有所区别，主要表现为：①增殖方面人胚胎干细胞在体外培养条件下可以分裂300次以上，仍然维持高水平的端粒酶活性，维持正常核型和端粒长度，使细胞在体外维持未分化状态的永久性。但是成体干细胞的增殖能力一般是有限的。②分化方面：胚胎干细胞的分化谱较宽，可分化为机体3个胚层的所有细胞类型；成体干细胞虽然也具有一定的多能性，但是与胚胎干细胞相比，其潜在的分化谱相对较窄。1.造血干细胞（hemopoieticstemcell，HSC）是第一种被认识的成体干细胞，在外周组织中含量很低，其主要分选标志为CD34*和CD38*等。HSC是体内各种血细胞的唯一来源，主要存在于骨髓、外周血和脐带血中。从骨髓中分离、纯化HSC进行移植已成功地应用于临床，但HSC在人群中移植时，需先进行人白细胞抗原（HLA）配型。目前发现脐带血中含有丰富的HSC，可用于造血干细胞移植。脐常血干细胞移植的长处是无来源的限制、对HLA配型要求不高和不易受病毒污染。已有人尝试用脐带血干细胞代替骨髓来源的造血干细胞重建造血系统。2.间充质干细胞（mesenchymalstemcell，MSc）是来源于结缔组织的一类细胞，可以从皮肤、骨髓、软骨和骨组织中分离得到。这类细胞易于在体外扩增，并且在不同的诱导条件下可分化为多种间充质组织，如骨、关节、脂肪、肌腱、肌和骨髓基质等，因此提出MSC的概念。实际上，MSC是一个混合细胞群体，很难以一个表型对它进行筛选。由于MSC可以在体外相对容易地诱导分化为成骨细胞和软骨细胞，所以可以预见，其在治疗骨损伤和先天骨组织畸形等疾病方面将会有广泛的应用。临床聚焦14-1造血干细胞移植临床上造血干细胞移植除了可以治疗急性白血病和慢性白血病外，也可以用于治疗重型再生障碍性贫血、珠蛋白生成障碍性贫血、恶性淋巴瘤和多发性骨髓瘤等血液系统疾病，以及小细胞肺癌、乳腺癌、睾丸癌、卵巢癌和神经母细胞瘤等多种实体肿瘤。对急性白血病无供体者，也可在治疗完全缓解后采取其自身造血干细胞移植，即自体造血干细胞移植进行治疗。3.神经干细胞（neuralstemcell，NSC）是近来发现的在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的细胞。许多老年性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和脑卒中等疾病，均伴有脑或脊髓相应部位特定神经元的死亡，而利用260医学细胞--正文.indd-2602018-5-1817:32
www.hep.com.cn 260 第十四章 干细胞与表观遗传 Genesis、TRA-1-60、TRA-1-81、GCTM-2 和 CD30 等。此外，胚胎干细胞端粒酶持续 高水平表达，因此，这些细胞在分裂后保持端粒长度，维持细胞的不死性。 3. 人胚胎干细胞具有向 3 个胚层组织细胞分化的潜能 个体发育中，存在于囊胚 内细胞团中的胚胎干细胞具有分化为后续发育个体的任何组织细胞的潜能。胚胎干细胞 可分化为各种类型的细胞，如脂肪细胞、星形胶质细胞、心肌细胞、软骨细胞、造血细 胞、树突状细胞及胰岛细胞等。 三、成体干细胞 生物体组织需要干细胞来维持正常的更新和损伤后修复，在已经充分发育的组织中 也确实存在着这类干细胞，称为成体干细胞。成体干细胞和胚胎干细胞两者虽然都具有 干细胞的基本特征即增殖和分化的能力，但还是有所区别，主要表现为：①增殖方面： 人胚胎干细胞在体外培养条件下可以分裂 300 次以上，仍然维持高水平的端粒酶活性， 维持正常核型和端粒长度，使细胞在体外维持未分化状态的永久性。但是成体干细胞的 增殖能力一般是有限的。②分化方面：胚胎干细胞的分化谱较宽，可分化为机体 3 个胚 层的所有细胞类型；成体干细胞虽然也具有一定的多能性，但是与胚胎干细胞相比，其 潜在的分化谱相对较窄。 1. 造血干细胞（hemopoietic stem cell，HSC） 是第一种被认识的成体干细胞， 在外周组织中含量很低，其主要分选标志为 CD34 ＋和 CD38 ＋等。HSC 是体内各种血细 胞的唯一来源，主要存在于骨髓、外周血和脐带血中。从骨髓中分离、纯化 HSC 进行 移植已成功地应用于临床，但 HSC 在人群中移植时，需先进行人白细胞抗原（HLA）配 型。目前发现脐带血中含有丰富的 HSC，可用于造血干细胞移植。脐常血干细胞移植的 长处是无来源的限制、对 HLA 配型要求不高和不易受病毒污染。已有人尝试用脐带血 干细胞代替骨髓来源的造血干细胞重建造血系统。 2. 间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC） 是来源于结缔组织的一类细 胞，可以从皮肤、骨髓、软骨和骨组织中分离得到。这类细胞易于在体外扩增，并且在 不同的诱导条件下可分化为多种间充质组织，如骨、关节、脂肪、肌腱、肌和骨髓基质 等，因此提出 MSC 的概念。实际上，MSC 是一个混合细胞群体，很难以一个表型对它 进行筛选。由于 MSC 可以在体外相对容易地诱导分化为成骨细胞和软骨细胞，所以可 以预见，其在治疗骨损伤和先天骨组织畸形等疾病方面将会有广泛的应用。 临床聚焦 14-1 造血干细胞移植 临床上造血干细胞移植除了可以治疗急性白血病和慢性白血病外，也可以用于 治疗重型再生障碍性贫血、珠蛋白生成障碍性贫血、恶性淋巴瘤和多发性骨髓瘤等 血液系统疾病，以及小细胞肺癌、乳腺癌、睾丸癌、卵巢癌和神经母细胞瘤等多种 实体肿瘤。对急性白血病无供体者，也可在治疗完全缓解后采取其自身造血干细胞 移植，即自体造血干细胞移植进行治疗。 3. 神经干细胞（neural stem cell，NSC） 是近来发现的在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的细胞。许多老年性疾病，如阿尔茨海 默病、帕金森病和脑卒中等疾病，均伴有脑或脊髓相应部位特定神经元的死亡，而利用 医学细胞-正文.indd 260 2018-5-18 17:32:09
第二节表观遗传与细胞命运十细胞移植治疗这此疾病的动物模型已获成功。此外神经十细胞移植还可治疗脊髓损伤和脑外伤等。神经干细胞移植的另一个特点是移植入中枢神经系统后不具有免疫排斥反应，因为脑和脊髓由于血脑屏障的存在而成为免疫系统中较为特殊的器官。尽管成体干细胞显示出了广阔的应用前景，但仍受到一些因素的限制：①虽然多种不同类型的专能干细胞已得到确定，但尚未能在人体所有组织和细胞中分离鉴定出成体干细胞。②成体干细胞在数量上是非常少的，很难分离和纯化，且随年龄增长其数目会减少。③如果尝试使用患者自身的干细胞进行自体移植治疗，那么首先必须从患者体内分离干细胞，然后进行体外培养，直至有足够数量的细胞才可用于治疗。而对于某些急性病症来说，恐怕没有足够的时间来培养细胞了。由此可见，研究成体干细胞在体外保持长期增殖和定向诱导其分化的机制极其重要。第二节表观遗传与细胞命运一、表观遗传学概述（一）表观遗传学概念及研究内容表观遗传学（epigenetics）是研究不涉及基因结构及DNA序列变化的基因表达调控的可遗传修饰作用，探索从基因型到表现型的过程和机制。表观遗传学把DNA序列以外的化学修饰方式看做是基因组的第二套遗传密码，这种暂时的、动态变化的表观遗传密码决定何时、何地、以何种方式来执行基因组中的遗传信息指令，参与基因表达调控，对生命体健康及表型特征具有重要生物学意义。生物遗传信息表达正确与否，一方面受控于DNA序列，另一方面又受制于表观遗传学信息。也就是说，真核基因表达调控机制非常复杂，包括遗传调控和表观遗传调控。表观遗传调控（epigenetieregulation）是真核基因组一种独特的调控机制，表观遗传主要通过DNA修饰、蛋白质修饰和非编码RNA调控3个层面上调控基因表达。根据对基因表达的影响，可以把表观遗传调控分为以下两个水平。①转录前调控：如DNA甲基化和组蛋白修饰等。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。组蛋白修饰包括组蛋白乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、磷酸化及泛素化等，这些修饰因素单一或共同作用均可调节基因表达。②转录后调控：如非编码RNA和RNA编辑等。可以与DNA甲基化、组蛋白乙酰化等发生交互作用，彼此影响，从而构成复杂的基因表观调控网络。（二）表观遗传学与遗传学的关系表现遗传学与造传学的区别1.表观遗传学与遗传学的区别体现在以下三个方面。①遗传信息类型不同：遗传学的遗传信息是DNA或RNA，表观遗传学的遗传信息是修饰后的DNA和组蛋白。②影响基因表达的方式不同：遗传学通过DNA序列的改变如基因突变来影响基因的表达，表观遗传学通过非DNA序列变化来影响基因的表达。③遗传信息的稳定性不同：经典遗传学的遗传信息存储于DNA序列中，相对较稳定：表观遗传信息依赖于DNA和组蛋白不同的修饰基团，这些修饰往往是可逆的，相对不稳定。另外，经典遗传学是研究基因到性状的原因，性状的分离表达符合孟德尔定律：表观遗传学研究的是基因到性状的过程，性状的分离表达不符合孟德尔定律（图14-2）。261医学细胞--正文.indd-2612018-5-18 17:32:09
www.hep.com.cn 261 第二节 表观遗传与细胞命运 干细胞移植治疗这些疾病的动物模型已获成功。此外神经干细胞移植还可治疗脊髓损伤 和脑外伤等。神经干细胞移植的另一个特点是移植入中枢神经系统后不具有免疫排斥反 应，因为脑和脊髓由于血脑屏障的存在而成为免疫系统中较为特殊的器官。 尽管成体干细胞显示出了广阔的应用前景，但仍受到一些因素的限制：①虽然多种 不同类型的专能干细胞已得到确定，但尚未能在人体所有组织和细胞中分离鉴定出成体 干细胞。②成体干细胞在数量上是非常少的，很难分离和纯化，且随年龄增长其数目会 减少。③如果尝试使用患者自身的干细胞进行自体移植治疗，那么首先必须从患者体内 分离干细胞，然后进行体外培养，直至有足够数量的细胞才可用于治疗。而对于某些急 性病症来说，恐怕没有足够的时间来培养细胞了。由此可见，研究成体干细胞在体外保 持长期增殖和定向诱导其分化的机制极其重要。 第二节 表观遗传与细胞命运 一、表观遗传学概述 （一）表观遗传学概念及研究内容 表观遗传学（epigenetics）是研究不涉及基因结构及 DNA 序列变化的基因表达调控 的可遗传修饰作用，探索从基因型到表现型的过程和机制。表观遗传学把 DNA 序列以 外的化学修饰方式看做是基因组的第二套遗传密码，这种暂时的、动态变化的表观遗传 密码决定何时、何地、以何种方式来执行基因组中的遗传信息指令，参与基因表达调 控，对生命体健康及表型特征具有重要生物学意义。 生物遗传信息表达正确与否，一方面受控于 DNA 序列，另一方面又受制于表观遗 传学信息。也就是说，真核基因表达调控机制非常复杂，包括遗传调控和表观遗传调 控。表观遗传调控（epigenetic regulation）是真核基因组一种独特的调控机制，表观遗传 主要通过 DNA 修饰、蛋白质修饰和非编码 RNA 调控 3 个层面上调控基因表达。 根据对基因表达的影响，可以把表观遗传调控分为以下两个水平。①转录前调控： 如 DNA 甲基化和组蛋白修饰等。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。 组蛋白修饰包括组蛋白乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、磷酸化及泛素化等，这 些修饰因素单一或共同作用均可调节基因表达。②转录后调控：如非编码 RNA 和 RNA 编辑等。可以与 DNA 甲基化、组蛋白乙酰化等发生交互作用，彼此影响，从而构成复 杂的基因表观调控网络。 （二）表观遗传学与遗传学的关系 1. 表观遗传学与遗传学的区别 体现在以下三个方面。①遗传信息类型不同：遗 传学的遗传信息是 DNA 或 RNA，表观遗传学的遗传信息是修饰后的 DNA 和组蛋白。② 影响基因表达的方式不同：遗传学通过 DNA 序列的改变如基因突变来影响基因的表达， 表观遗传学通过非 DNA 序列变化来影响基因的表达。③遗传信息的稳定性不同：经典 遗传学的遗传信息存储于 DNA 序列中，相对较稳定；表观遗传信息依赖于 DNA 和组蛋 白不同的修饰基团，这些修饰往往是可逆的，相对不稳定。另外，经典遗传学是研究基 因到性状的原因，性状的分离表达符合孟德尔定律；表观遗传学研究的是基因到性状的 过程，性状的分离表达不符合孟德尔定律（图 14-2）。 表现遗传学与遗传学的区别 医学细胞-正文.indd 261 2018-5-18 17:32:09