胚胎干细胞课件.ppt
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- 胚胎 干细胞 课件
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1、干细胞理论与技术干细胞理论与技术Cell differentiationAbout the concept of cell differentiationThe process that a cell changes to carry out a specialized function:Marked by:Morphology/Structure/FunctionvThe different cell types of a multicellular organism contain the same DNA.vA cell can change the expression of its
2、genes in response to external signals.vDifferences in mRNA expression patterns among different cell types.vDifferent cell types synthesize different sets of proteins.vGene expression can be regulated at many of the steps in the pathway from DNA to RNA to protein.The four essential processes by which
3、 a multicellular organism is made:Cell proliferation,Cell specialization,Cell interaction,and Cell movement.Cell differentiation occurs in multicellular organismsHuman:1014 cells,200 cell typesTransdifferentiation:From one type of cell into another typeIncludes:Dedifferentiation-Redifferentiation去分化
4、去分化再分化再分化What is a stem cell?Stem cells have the ability to self-renewal Stem cells can become other types of cells Stem cells can also divide indefinitely Stem cells also have the unique ability to divide indefinitely,producing an unlimited number of identical undifferentiated stem cells.This is ca
5、lled a stem cell line.mouse nerve cells干细胞功能分类 Totipotent stem cell:全能干细胞全能干细胞,如受精卵如受精卵 pluripotent stem cell:多能干细胞,如囊胚中多能干细胞,如囊胚中的内囊细胞的内囊细胞 multipotent stem cell Unipotent stem cell:专能干细胞,如造血干专能干细胞,如造血干细胞细胞 committed stem cellSome stem cells have more developmental options than othersWhere to get t
6、he stem cells?(1)Embryonic stem cells 来自早期胚胎、原来自早期胚胎、原始生殖细胞或畸胎始生殖细胞或畸胎瘤组织等源于胚胎瘤组织等源于胚胎的干细胞,属全能的干细胞,属全能干细胞干细胞totipotenttotipotent,每个细胞可以发育每个细胞可以发育成为完整的个体。成为完整的个体。(2)Adult stem cells存在于成体组织中,存在于成体组织中,属单能属单能committedcommitted或多或多能干细胞能干细胞multipotentmultipotent,可以定向分化为一种可以定向分化为一种或几种不同的组织或几种不同的组织,如造血干细胞,神
7、经干细胞等(3)Umbilical cord blood stem cells(4)Fetal stem cells Embryonic vs adult stem cells ES cells are pluripotent AS cells found in small amounts throughout body Most AS cells appear to be multipotentES cells come from ICM of blastocystSources of ES cells ES cell lines Excess embryos from IVF clinic
8、s Embryos created for research by IVF Therapeutic cloningCloning Purpose of therapeutic cloning is to harvest ES cells for treatment blastocyst destroyed Purpose of reproductive cloning is to make new person blastocyst implanted in uterusReproduced by permission of the NIHStem cell plasticityAdult s
9、tem cells can differentiate into a large number of different cell types.Turning blood into brain:Science,2000,290:1779-1782Turning brain into blood:Science,1999,283:534-535NSC+EGF&FGF:Growing Production of differentiated cells from mouse ES cells in culture.Stem cells migrate to sites of organ damag
10、e and differentiate to cell types competent to participate in tissue regeneration.利用干细胞可塑性利用干细胞可塑性Regeneration of new tissues from our own cells will not be far behind Science,December 6,2002:1901中胚层免疫学方法,免疫外科学方法组织培养法显微外科法干细胞的特征干细胞的特征 1 干细胞本身不是终末分化细胞 2 干细胞能无限增殖分裂 3 干细胞可连续分裂几代,也可在较长时间内处于静止状态 4 干细胞分裂产
11、生的子细胞只能在两种途径中选择其一,或保持亲代特征仍作为干细胞,或不可逆地向终末分化。干细胞的鉴别干细胞的鉴别 利用慢细胞周期性和自我更新能力,采用标记滞留细胞和细胞克隆来识别,但有局限性 干细胞表面标志:荧光素的化学特性和受体的独特结构 基因标志:特异性基因和转录因子 基因工程技术结合荧光素而不依赖于细胞表面标志来鉴别怎样得到怎样得到 pluripotent stem cell?1998年美国有两个小组分别培养出了人多能年美国有两个小组分别培养出了人多能(pluripotent)干细胞:干细胞:James A.Thomson在在 Wisconsin大学领导一个研究小组从人胚胎组大学领导一个研
12、究小组从人胚胎组织中培养出了干细胞株。他们使用的方法是:人卵体外受精后,织中培养出了干细胞株。他们使用的方法是:人卵体外受精后,将胚胎培育到囊胚阶段,提取将胚胎培育到囊胚阶段,提取 inner cell mass细胞,建立细胞株。细胞,建立细胞株。经测试这些细胞株的细胞表面经测试这些细胞株的细胞表面 marker 和酶活性,证实它们就是胚和酶活性,证实它们就是胚胎干细胞。用这种方法,每个胚胎可取得胎干细胞。用这种方法,每个胚胎可取得1520个细胞用于培养。个细胞用于培养。John D.Gearhart在在 Johns Hopkins大学领导另一个研究小组也从大学领导另一个研究小组也从人胚胎组织
13、中建立了干细胞株。他们的方法是:从受精后人胚胎组织中建立了干细胞株。他们的方法是:从受精后59周周人工流产的胚胎中提取生殖母细胞人工流产的胚胎中提取生殖母细胞(primordial germ cell)。由此培。由此培养的细胞株,证实具有巨能干细胞的特征。养的细胞株,证实具有巨能干细胞的特征。干细胞培养过程干细胞培养过程干细胞的分化干细胞的分化 时空关系分化Stem cellTransient amplifying cellTerminal differentiated cellCommitted progenitorsPostmitotic cell干细胞分化产生子代细胞机制:不对称分裂,高
14、度调节性干细胞发育的调控干细胞发育的调控 内在调控:干细胞内一些结构蛋白和结构因子,转录因子,端粒酶 直接调控:外部信号所执行的细胞自动调节因子 干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前人类胚胎干细胞已成功地在体外培养。最新研究发现,成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织,为干细胞的广泛应用提供了基础。干细胞的微环境干细胞的微环境niche 控制干细胞的外在因素选择性的组成 细胞外基质成分,细胞因子 共同调节干细胞命运 Programed signal or niche determine stem cell fate differentiation and plasticit
15、y?干细胞用途人类面临的大多数医学难题,如心血管疾病、自身免疫性疾病、糖尿病、骨质疏松、癌症、老年性痴呆、帕金森病、严重烧伤、脊髓损伤和遗传性缺陷等疾病组织工程学、功能基因组学和蛋白质组学、发育生物学新药开发与药效、毒性评估等干细胞的伦理和社会问题干细胞的伦理和社会问题 科学界 宗教界 伦理学界 政治界 在胚胎的发生发育中,单个受精卵可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中,正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的,具有分化为几乎全部组织和器官的能力。胚胎发育过程是按照严格的时空程序进行一系列细胞与细
16、胞之间、核质之间相互作用的结果。研究人体内各类细胞分化理想模型:体外增殖,有胚胎细胞的全能性或多能性,能被诱导分化。胚胎干细胞的发育胚胎干细胞的发育1)形成畸胎瘤形成畸胎瘤teratomateratoma:将ES细胞接种同源动物皮下可形成内、中、外三种胚层细胞2)形成类胚体形成类胚体Embryoid bodyEmbryoid body:将ES细胞在非黏附底物中悬浮培养生长,或控制增殖细胞数目,形成多种系混杂的集合体3)直系分化直系分化:通过控制ES细胞生长环境或遗传操纵特定基因表达,ES细胞可直接分化为某特定种系细胞。新的ES细胞建系后在体外生长时间越短,产生所有类型组织的可能性就越大。4)形
17、成嵌合体形成嵌合体chimerachimera:组织和器官的细胞含有两个或两个以上基因型构建而成的完整个体,称为基因嵌合体或嵌合体动物。将ES细胞注射到同种动物囊胚腔中,可形成嵌合体。ES细胞或EG细胞一旦分化即丧失全能性,难以参与胚胎发育,形成嵌合体。ES 细胞全能性体现在细胞全能性体现在:ES细胞分化的调控 内源性调控:细胞内蛋白对ES细胞分裂的调控,转录因子OCT4,LIF,Tcf/Lef 外源性调控:1)分泌因子 TGF/B家族和Wnt信号通路,GDNF 2)膜蛋白介导的细胞间相互作用B-Catenin,Notch及其配体Delta,Jagged结合时,干细胞进行非分化性增殖,当Not
18、ch活性被抑制时,干细胞进入分化程序,发育为功能细胞。3)整合素Integrin与细胞外基质第二节第二节 ES细胞和细胞和EG细胞培养建系技术细胞培养建系技术基本原则基本原则:获得全能性胚胎细胞团或细胞团,并建立体外适合其增殖和抑制分化的培养系统。关键关键:阻止早期胚胎细胞离体后的分化,确保其全能性和多能性。胚胎发育早期的细胞具有全能性。胚胎进一步发育后,细胞只具有多能性.全能性胚胎干细胞在体外建系困难,目前在体外建系的胚胎性干细胞大多属于多能性胚胎干细胞。细胞分化抑制物细胞分化抑制物:饲养层细胞feeder layer;特殊细胞的条件培养液conditioned medium;分化抑制因子d
19、ifferentiation inhibitory factor,DIF一、饲养层细胞培养法一、饲养层细胞培养法不同类型的饲养层细胞分泌的生长因子略有不同,该细胞应保持不分裂增殖但仍保留代谢活性。1)小鼠原始胚胎成纤维细胞MEF(mouse embryonic fibroblast)通常原代或8代前的MEF细胞抑制小鼠ES细胞分化的效果更好一些。2)小鼠成纤维细胞无限系STO细胞:SIM-thioguanine-ouabain 分泌干细胞生长因子和白血病抑制因子。用作ES或EG细胞培养的饲养层的MEF或STO细胞均需用10mg/L丝裂霉素C(终止细胞分裂)在37摄氏度处理4h,用前经PBS彻底
20、洗涤。二、无饲养层培养法二、无饲养层培养法 目的:简化培养过程目的:简化培养过程 用添加LIF生长因子或某些特定细胞的条件培养液至含FCS的正常培养液,以次代替饲养层细胞。ES和和EG细胞体外培养方法分类细胞体外培养方法分类第三节第三节 ES细胞和细胞和EG细胞体外诱导分化细胞体外诱导分化一、基本原理诱导物质的专一性和被诱导细胞的反应能力必须在时空上相互巧妙配合,才能保证被诱导细胞按预定的细胞类型方向分化。二、ES细胞和EG细胞定向诱导分化谱系分化是一个从谱系祖细胞到终末分化细胞的分化全过程。定向诱导则是设法控制ES细胞导向产生单一类型的分化细胞。三、三、ES细胞体外诱导分化的基本方法细胞体外
21、诱导分化的基本方法1.单层ES细胞培养和诱导分化2.ES细胞拟胚体形成和诱导分化四、ES细胞体外诱导分化的几种细胞1.造血细胞2.内皮细胞与血管3.神经细胞4.心肌和其他肌肉细胞5.脂肪细胞6.软骨细胞7.胰岛细胞第四节诱导分化细胞的永生化第四节诱导分化细胞的永生化 建立使ES细胞被诱导产生的分化细胞永生化途径意义重大,特别在临床细胞治疗中作为种子细胞有重要的意义。诱导分化细胞的永生化诱导分化细胞的永生化immortalization 尚无成功报道。第五节第五节 ES细胞和细胞和EG细胞技术在医学中的应用细胞技术在医学中的应用一、哺乳类发育的体外模型二、介导改造动物的基因:动物克隆,转基因动物
22、,制备嵌合体动物三、人体的基因和细胞治疗:再生医学兴起 regenerative medicine四、组织工程的种子细胞来源干细胞研究的一些最新成果 1.Dr.Ira Black of the University of Medicine and Dentistry of New Jersey reported the stem cells,treated with growth factors and antioxidants in tissue culture experiments,quickly divided into two cells-another stem cell and
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