万能细胞---胚胎干细胞

一．干细胞是什么?

著名的生物学家E.B Wilson曾经说过：“所有生物学的答案最终都要到细胞中去寻找，因为所有生物体都是，或曾经是一个细胞。”

我们人体是由400万亿到600万亿个细胞所组成，共230多种，分两大类。第一类是功能细胞，人体的各种各样的生理活动就是这些细胞生命活动的体现。比如，心脏就是由心肌细胞构成的，它们有节律的收缩和舒张完成了心脏的生理功能; 人的思维，也正是由大脑中的神经元细胞相互传递信息来完成。可以说，正是因为功能细胞功能完整、活跃，我们才能保持年轻、健康和富有活力。

但是，细胞同人一样，也会死亡。正常的细胞凋亡和外界因素导致的细胞坏死，都会使人每天损失大量的功能细胞，这就需要另一类细胞来新生出功能细胞来代替凋亡和坏死的细胞，这类能够产生新的功能细胞的细胞就是干细胞。在人体各个组织器官当中都有干细胞的存在，他们的数量和质量决定了组织器官的功能状态。

干细胞也是生命体，他们的生命过程也是按照发生、发育、成熟、衰老和死亡的自然规律进行的，随着年龄的增长，体内干细胞的数量和质量也在逐渐下降，无法按照机体的需求，新生出年轻、健康的细胞，替换组织中衰老病变的细胞，最终反应出人的衰老和疾病。所以恢复体内活跃干细胞的数量，是抑制衰老、预防治疗各种疾病的关键。

二．干细胞的特性 干细胞广泛地存在于人体的各个组织中在一定的条件下，可分化为多种功能细胞和组织器官，它具有以下特性：

1 内源性调控

干细胞自身有许多调控因子可对外界信号起反应从而调节其增殖和分化，包括调节细胞不对称分裂的蛋白，控制基因表达的核因子等。另外，干细胞在终末分化之前所进行的分裂次数也受到细胞内调控因子的制约。

(1)细胞内蛋白对干细胞分裂的调控

干细胞分裂可能产生新的干细胞或分化的功能细胞。这种分化的不对称是由于细胞本身成分的不均等分配和周围环境的作用造成的。细胞的结构蛋白，特别是细胞骨架成分对细胞的发育非常重要。如在果蝇卵巢中，调控干细胞不对称分裂的是一种称为收缩体的细胞器，包含有许多调节蛋白，如膜收缩蛋白和细胞周期素A 。收缩体与纺锤体的结合决定了干细胞分裂的部位，从而把维持干细胞性状所必需的成分保留在子代干细胞中。

(2)转录因子的调控

在脊椎动物中，转录因子对干细胞分化的调节非常重要。比如在胚胎干细胞的发生中，转录因子Oct4是必需的。Oct4是一种哺乳动物早期胚胎细胞表达的转录因子，它诱导表达的靶基因产物是FGF-4等生长因子，能够通过生长因子的旁分泌作用调节干细胞以及周围滋养层的进一步分化。Oct4缺失突变的胚胎只能发育到囊胚期，其内部细胞不能发育成内层细胞团 [1]。另外白血病抑制因子(LIF)对培养的小鼠ES 细胞的自我更新有促进作用，而对人的成体干细胞无作用，说明不同种属间的转录调控是不完全一致的。又如Tcf/Lef转录因子家族对上皮干细胞的分化非常重要。Tcf/Lef是Wnt 信号通路的中间介质，当与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。

2 外源性调控

除内源性调控外，干细胞的分化还可受到其周围组织及细胞外基质等外源性因素的影响。

(1)分泌因子

间质细胞能够分泌许多因子，维持干细胞的增殖，分化和存活。有两类因子在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用，它们是TGFβ家族和Wnt 信号通路。比如TGF 家族中至少有两个成员能够调节神经嵴干细胞的分化。最近研究发现，胶质细胞衍生的神经营养因子(GDNF)不仅能够促进多种神经元的存活和分化，还对精原细胞的再生和分化有决定作用。GDNF 缺失的小鼠表现为干细胞数量的减少，而GDNF 的过度表达导致未分化的精原细胞的累积[3]。Wnts 的作用机制是通过阻止β-Catenin 分解从而激活Tcf/Lef

介导的转录，促进干细胞的分化。比如在线虫卵裂球的分裂中，邻近细胞诱导的Wnt 信号通路能够控制纺锤体的起始和内胚层的分化。

(2)膜蛋白介导的细胞间的相互作用

有些信号是通过细胞-细胞的直接接触起作用的。β-Catenin 就是一种介导细胞粘附连接的结构成分。除此之外，穿膜蛋白Notch 及其配体Delta 或Jagged 也对干细胞分化有重要影响。在果蝇的感觉器官前体细胞，脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经上皮、骨骼肌和血液系统中，Notch 信号都起着非常重要的作用。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[4]。

(3)整合素(Integrin)与细胞外基质

整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主要的分子。整合素与其配体的相互作用为干细胞的非分化增殖提供了适当的微环境。比如当β1整合素丧失功能时，上皮干细胞逃脱了微环境的制约，分化成角质细胞。此外细胞外基质通过调节β1整合素的表达和激活，从而影响干细胞的分布和分化方向。 3 干细胞的可塑性

越来越多的证据表明，当成体干细胞被移植入受体中，它们表现出很强的可塑性。通常情况下，供体的干细胞在受体中分化为与其组织来源一致的细胞。而在某些情况下干细胞的分化并不遵循这种规律。1999年Goodell 等人分离出小鼠的肌肉干细胞，体外培养5天后，与少量的骨髓间质细胞一起移植入接受致死量辐射的小鼠中，结果发现肌肉干细胞会分化为各种血细胞系。这种现象被称为干细胞的横向分化(trans-differentiation)[5]。关于横向分化的调控机制目前还不清楚。大多数观点认为干细胞的分化与微环境密切相关。可能的机制是，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的细胞的影响，从而对新的微环境中的调节信号做出反应。

三．干细胞受哪些外源性因素的影响 干细胞的调控是指给出适当的因子条件，对干细胞的增值和分化进行调控，使之向指定的方向发展。除内源性调控外，干细胞的分化还可受到其周围组织及细胞外基质等外源性因素的影响。

(1) 整合素(Integrin)与细胞外基质 整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主要的分子。整合素与其配体的相互作用为干细胞的非分化增殖提供了适当的微环境。比如当β1整合素丧失功能时，上皮干细胞逃脱了微环境的制约，分化成角质细胞。此外细胞外基质通过调节β1整合素的表达和激活，从而影响干细胞的分布和分化方向。

(2)膜蛋白介导的细胞间的相互作用

有些信号是通过细胞-细胞的直接接触起作用的。β-Catenin 就是一种介导细胞粘附连接的结构成分。除此之外，穿膜蛋白Notch 及其配体Delta 或Jagged 也对干细胞分化有重要影响。在果蝇的感觉器官前体细胞，脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经上皮、骨骼肌和血液系统中，Notch 信号都起着非常重要的作用。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[4]。

(3)分泌因子

间质细胞能够分泌许多因子，维持干细胞的增殖，分化和存活。有两类因子在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用，它们是TGFβ家族和Wnt 信号通路。比如TGF 家族中至少有两个成员能够调节神经嵴干细胞的分化。最近研究发现，胶质细胞衍生的神经营养因子(GDNF)不仅能够促进多种神经元的存活和分化，还对精原细胞的再生和分化有决定作用。GDNF 缺失的小鼠表现为干细胞数量的减少，而GDNF 的过度表达导致未分化的精原细胞的累积[3]。Wnts 的作用机制是通过阻止β-Catenin 分解从而激活Tcf/Lef介导的转录，促进干细胞的分化。比如在线虫卵裂球的分裂中，邻近细胞诱导的Wnt 信号通路能够控制纺锤体的起始和内胚层的分化。

四．胚胎干细胞的现状及广阔应用前景

近几年来，干细胞的研究取得了重大的突破，1999和2000年，世界最权威的美国《Science 》杂志连续2年将干细胞和人类基因组计划列为当年的10大科学突破之首。美国《时代》周刊认为干细胞和人

类基因组计划将同时成为新世纪最具有发展和应用前景的领域。为抢占这一科科技技制高点，世界各国纷纷投入大量的人力、物力和财力加紧研究开发，并已取得应用性成果：2005年10月，美国食品和药物管理局(FDA)也已批准将神经干细胞移植入人体大脑;2005年11月，美国心脏协会报道了干细胞治疗心肌梗塞的204例临床病例的研究报告，其结论是干细胞对心脏功能的改善效果，是没有任何现有临床药物能达到的; 日本在2000年启动的“千年世纪工程”中，将干细胞工程作为四大重点之一，于第一年就投入了108亿日元的巨额资金; 瑞典、巴西也于2005年通过立法继续支持干细胞研究，并于2005年进行一项多中心1200病例的用干细胞治疗心脏病的临床应用研究。

体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性胚胎干细胞，是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用胚胎干细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。目前许多研究工作都是以小鼠胚胎干细胞为研究对象展开的，目前实验小鼠和人类的胚胎干细胞已能从体内分离出来并在体外传代培养。由于其能够在体外无限复制并且被诱导分化为任何一种成年功能体细胞，胚胎干细胞在科研医疗诸如基因工程及器官再生治疗等领域有着广阔的应用前景。由此在分子机制上揭开胚胎干细胞之谜是为将来之应用所必需。“该成果不仅在胚胎干细胞分子机制理论研究中取得重大突破，并且对进一步优化胚胎干细胞培养条件等实际应用有着广泛的指导意义。”最近，美国得克萨斯大学生物化学系的一项研究首次发现，存在于小鼠胚胎干细胞的独特高代谢途径——苏氨酸脱氢酶介导的苏氨酸裂解。并进一步运用生物化学及细胞生物学方法证明了小鼠胚胎干细胞对苏氨酸裂解代谢的依赖性。

浙江大学生命学院张铭教授认为，细胞胚胎干细胞是来源于早期发育胚胎体的未分化的细胞，具有无线增殖能力和分化全能性研究。该研究对胚胎干细胞代谢的基本理论有突出的参考价值，同时对胚胎干细胞体外培养营养条件的认识，对培养基配置及培养基工业的发展有很强的推动作用。并且比较了人、小鼠、低等生物的代谢规律，为细胞原始性、分化与代谢的关系和进化规律提供了线索。

干细胞技术是生物技术领域最具有发展前景和后劲的前沿技术，其已成为世界高新技术的新亮点，势将导致一场医学和生物学革命。