第十一章干細(xì)胞分化

1、第十一章 干細(xì)胞分化 干細(xì)胞分化 T在多細(xì)胞生物體的每一個體細(xì)胞中，遺傳物質(zhì)的組成是相 同的。然而，在不同類型的細(xì)胞中，其基因的表達(dá)模式并 不完全相同。在某一特定類型細(xì)胞中，某些基因處于活躍 表達(dá)狀態(tài)，而另一些基因處于沉默狀態(tài);在另一種不同類 型的細(xì)胞中，基因表達(dá)的種類、數(shù)量及程度與前一種類型 的細(xì)胞可能存在極大的差異。 T在多細(xì)胞生物體通過細(xì)胞增殖使細(xì)胞數(shù)目不斷增多的過程 中，伴隨著細(xì)胞的分化，即產(chǎn)生多種類型的細(xì)胞。細(xì)胞分 化是不同細(xì)胞中基因表達(dá)模式不同的結(jié)果。 干細(xì)胞分化 T胚胎干細(xì)胞的分化 T成體干細(xì)胞的分化 （1）造血干細(xì)胞的分化 （2）神經(jīng)干細(xì)胞的分化 （3）肌肉干細(xì)胞的分化 胚胎干

2、細(xì)胞的分化 T高等哺乳動物個體是由一枚受精卵發(fā)育而來的。 早期胚胎(4-細(xì)胞及以前的胚胎)中的每一個卵裂球 都具有發(fā)育的全能性( totipotent)，即一個卵裂球 就具有發(fā)育為一個完整個體的能力。隨著發(fā)育的 進(jìn)行，胚胎中的細(xì)胞數(shù)目不斷增多，細(xì)胞的多潛 能性也在逐漸喪失。 胚胎干細(xì)胞的分化 T當(dāng)胚胎發(fā)育到囊胚 (blastula)階段，其中的細(xì) 胞已分為兩大類，位于外 圍的細(xì)胞被稱為滋養(yǎng)層細(xì) 胞( trophoblast)，這部分 細(xì)胞將發(fā)育為胎盤；位于 滋養(yǎng)層內(nèi)部的細(xì)胞團(tuán)被稱 為內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(inner cell mass， ICM)，這部分細(xì) 胞將發(fā)育為胎兒。 胚胎干細(xì)胞的分化 細(xì)胞發(fā)育潛能

3、的逐漸喪失可以形象地比喻為一個小球沿著山坡向下滾動， 小球所具有的勢能看做是細(xì)胞的發(fā)育潛能，被標(biāo)注在圖的左側(cè)；這一期 間細(xì)胞中的表現(xiàn)遺傳修飾狀態(tài)標(biāo)注在圖的右側(cè)。 胚胎干細(xì)胞的分化 1.維持ES細(xì)胞多潛能性的表現(xiàn)遺傳修飾 所謂的ES細(xì)胞，是指ICM經(jīng)體外培養(yǎng)后，所形成的具有自 我更新及多分化潛能( pluripotent)的細(xì)胞。 ES細(xì)胞主要通過多種類型的表現(xiàn)遺傳修飾維持其多潛能性， 這些表觀遺傳修飾類型包括DNA甲基化、組蛋白修飾、組蛋 白變體、ATP依賴的染色質(zhì)重塑以及RNA干擾(RNA interference， RNAi)等。 胚胎干細(xì)胞的分化 TES細(xì)胞與已分化的體細(xì)胞在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)方

4、面存在 極大的差異，這種結(jié)構(gòu)的差異化正是不觀遺傳修飾 的結(jié)果。 （1）在ES細(xì)胞的基因組中，常染色質(zhì)( euchromatin)的區(qū)域 大于體細(xì)胞中的常染色質(zhì)域。 （2）與體細(xì)胞的染色質(zhì)相比， ES細(xì)胞的染色質(zhì)呈現(xiàn)出一種 更為松散的狀態(tài)。 這種松散的態(tài)意味著DNA與組蛋白八聚體的結(jié)合并不是非常 僵硬、死板，也就是染色質(zhì)呈現(xiàn)為一種超動態(tài) (hyperdynamic)的結(jié)構(gòu)。超動態(tài)染色質(zhì)(hyperdynamic chromatin)被認(rèn)為是ES細(xì)胞基因組具有可塑性的原因。 胚胎干細(xì)胞的分化 （3）ES細(xì)胞基因組中具有較多的組蛋白乙酷化修飾及組蛋 白H3賴氨酸4甲基化修飾(H3K4me);具有較少

5、的組蛋白H3賴 氨酸9三甲基化修飾(H3K9me3) 。 對于ES細(xì)胞抑制發(fā)育、分化相關(guān)基因表達(dá)的問題有至少兩種 觀點(diǎn)。 第一種觀點(diǎn)認(rèn)為， ES細(xì)胞采用26S蛋白酶體(proteasome)移 除發(fā)育、分化相關(guān)基因啟動子上的PIC(例如RNA聚合酶E及 基因特異性的轉(zhuǎn)錄因子等)，從而阻止這些基因的表達(dá)。 另一種觀點(diǎn)就是染色質(zhì)雙向(bivalent)區(qū)域機(jī)制。 胚胎干細(xì)胞的分化 （4）在ES細(xì)胞的基因組中，重要的發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的啟 動子區(qū)域既富含有組蛋白H3賴氨酸27甲基化修飾 (H3K27me)，又富含有H3K4me修飾。 ES細(xì)胞可以采用染色質(zhì)的雙向區(qū)域調(diào)控發(fā)育、分化相關(guān)基因 的表達(dá)。在E

6、S細(xì)胞中，染色質(zhì)的雙向區(qū)域可以使發(fā)育、分化 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)維持在一個較低的水平，但允許這 些基因預(yù)期的活躍表達(dá)。 染色質(zhì)雙向區(qū)域就像一個雙向開關(guān)一樣，可以靈活、有效地 調(diào)控基因的表達(dá)和沉默。雖然染色質(zhì)雙向區(qū)域理論是一個被 人們廣泛認(rèn)同的、有關(guān)m細(xì)胞調(diào)控基因表達(dá)模式的理論，但 某些基因的啟動子區(qū)域不具有雙向區(qū)域。 胚胎干細(xì)胞的分化 （5）盡管ES細(xì)胞中可以高水平地表達(dá)DNA從頭甲基轉(zhuǎn)移酶 (de novo DNA methyltransferase的，但ES細(xì)胞基因組范圍 內(nèi)的DNA甲基化水平低于體細(xì)胞基因組范圍內(nèi)的DNA甲基化 水平。 ES細(xì)胞與體細(xì)胞在DNA甲基化修飾方面還存在另一個

7、差異， 即前者會對非CpG二核昔酸的某些胞嘈院進(jìn)行甲基化修飾。 胚胎干細(xì)胞的分化 胚胎干細(xì)胞的分化 2.細(xì)胞分化過程中的表觀遺傳修飾機(jī)理 人們可觀察到的ES細(xì)胞分化事件包括多潛能性的降低甚至 喪失以及三個原始生殖層(primordial germ layer)的形成。但 在這些可觀察到的事件發(fā)生之前， ES細(xì)胞中一定發(fā)生了大 量基因表達(dá)改變的事件。 其原因在于：一方面這些事件持續(xù)的時間太為短暫，采用我 們目前的技術(shù)還無法檢測； 另一方面當(dāng)這些早期事件發(fā)生時，ES細(xì)胞在形態(tài)及特征方 面還未發(fā)生改變，人們無法知道哪些ES細(xì)胞發(fā)生了分化，進(jìn) 而對其進(jìn)行研究； 胚胎干細(xì)胞的分化 第三，在體外進(jìn)行的研究

8、中，ES細(xì)胞的分化似乎帶著一定的 隨機(jī)性，這可能是由于ICM來源的ES細(xì)胞具有一定的異質(zhì)性， 抑或環(huán)境因素的影響使不同ES細(xì)胞受到的刺激信號不同，從 而使ES細(xì)胞的分化表現(xiàn)為一定程度的隨機(jī)性。 胚胎干細(xì)胞的分化 T在ES細(xì)胞的分化過程中，開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)會逐漸被替 換為更為約束的結(jié)構(gòu)。這種更為約束的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)限定了 基因組中可表達(dá)的基因種類。 T人們認(rèn)為組蛋白H3的磷酸甜修飾使ES細(xì)胞中開放的染色 質(zhì)結(jié)持轉(zhuǎn)變?yōu)榧s束的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，并為其他的表觀遺傳修 飾鋪平道路。 T在接下來的分化過程中，染色質(zhì)雙向區(qū)域的組蛋白進(jìn)一步 發(fā)生修飾變化，需要沉默的基因，其基因表達(dá)調(diào)控區(qū)的雙 向區(qū)域丟失H3K4me修飾

9、，保留甚至擴(kuò)大H3K27me的修 飾范圍，進(jìn)一步增加異染色質(zhì)特異的表觀遺傳修飾模式。 成體干細(xì)胞分化 T成體干細(xì)胞是指存在于一種已經(jīng)分化組織中的未分化細(xì)胞， 這種細(xì)胞能夠自我更新并且能夠特化形成組成該類型組織 的細(xì)胞。成體干細(xì)胞自我更新和分化能力的維持也是依靠 其基因組中各種類型的表觀遺傳修飾。在成體干細(xì)胞向特 定類型細(xì)胞分化的過程中，也伴隨著大量的表現(xiàn)遺傳變化。 T造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cells， HSCs)分化 T神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells， NSCs)分化 T肌肉干細(xì)胞分化 造血干細(xì)胞分化 T人們用等級造血系統(tǒng)(hierarchical

10、hematopoietic system) 定義造血干細(xì)胞在分化過程中所形成的中間類型細(xì)胞及終 末分化細(xì)胞之間的關(guān)系，即造血系統(tǒng)中不同類型細(xì)胞具有 等級性，下一級細(xì)胞由上一級細(xì)胞分化而來。在等級造血 系統(tǒng)中，上一級細(xì)比下一級細(xì)胞具有更為廣泛的分化潛能。 造血干細(xì)胞分化 T長期/短期造血干細(xì)胞 (long/hematopoietic stem cells， LT-HSCs/ST-HSCs) TCLP及CMP為兩大細(xì)胞分支。 T前B細(xì)胞(Pro-B cell)、前T細(xì)胞 (Pro-T cell) T自然殺傷細(xì)胞前體細(xì)胞(natural killerprecursor， NKP）， T雙潛能的粒細(xì)胞

11、-巨嗜細(xì)胞前體 細(xì)胞(bipotent granulocyte- macrophage，GMP) T雙潛能的巨核細(xì)胞-紅細(xì)胞前體 細(xì)胞(bipotent megakaryocyte- erythrocyte MEP); 造血干細(xì)胞分化 T小鼠自身的巨嗜細(xì)胞集落剌激因體(the receptor for the macrophage colony-stimulating factor，c- fms)基因在造 血干細(xì)胞中已經(jīng)表達(dá)。在造血干細(xì)胞向不同類型終末細(xì)胞 分化的過程中，該基因的表達(dá)模式也不相同。在造血干細(xì) 胞向巨噬細(xì)胞分化的過程中，該基因的表達(dá)會上調(diào);在LPS 剌激的細(xì)胞中，該基因的表達(dá)會下

12、調(diào)；而在所有的非巨噬 細(xì)胞中，該基因會沉默。然而在未成熟的B淋巴細(xì)胞中， 該基因并未完全沉默，直到成熟的B細(xì)胞階段，該基因的 表達(dá)才完全停止下來，隨后該基因的DNA才發(fā)生全新的甲 基化。 T在造血干細(xì)胞向T細(xì)胞分化的過程中，c-fms基因較早地停 止了表達(dá)，且該基因的DNA也較早地發(fā)生了甲基化。 造血干細(xì)胞分化 造血干細(xì)胞分化 T在造血干細(xì)胞向B細(xì)胞及T細(xì)胞分化的過程中， c-fms基因 沉默的時間及其發(fā)生DNA甲基化的時間不同。發(fā)生這種差 異的原因可能在于:結(jié)合于c-fms基因啟動子及增強(qiáng)子上的 轉(zhuǎn)錄因子（如PU.1）在巨噬細(xì)胞及B細(xì)胞中依舊能夠表達(dá)， 這些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合阻礙了c-fms基因

13、的啟動子及增強(qiáng)子 發(fā)生DNA甲基化，從而使該基因仍舊能夠表達(dá);而在T細(xì)胞 中，相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)停止表達(dá)， c-fms基因的啟動子 及增強(qiáng)子隨即發(fā)生了DNA甲基化，從而使該基因完全沉默。 造血干細(xì)胞分化 T近年來的研究表明，造血干細(xì)胞在向不同細(xì)胞系分化的過 程中，仍然具有一定的可塑性，即分化過程中所形成的表 現(xiàn)遺傳修飾模式可以發(fā)生改變，從而使分化過程中形成的 一些中間類型細(xì)胞具有轉(zhuǎn)分化( trans-differentiation)的能 力。 T因此，采用等級造血系統(tǒng)這一概念來描述造血系統(tǒng)巾各種 細(xì)胞類型之間的關(guān)系是不確切的。轉(zhuǎn)分化不僅僅是造血干 細(xì)胞分化過程中的一種現(xiàn)象，在胚胎干細(xì)胞及其他成

14、體于 細(xì)胞的分化過程中也觀察到轉(zhuǎn)分化現(xiàn)象。 神經(jīng)干細(xì)胞分化 神經(jīng)于細(xì)胞(neural stem cells， NSCs)具有自我更新及向神 經(jīng)元(neuron)、星形膠質(zhì)細(xì)胞( astrocyte)及少突膠質(zhì)細(xì)胞 (oligodendrocyte)分化的能力。在分化過程中，其基因組 DNA上會發(fā)生一系列的表現(xiàn)遺傳修飾變化，包括DNA甲基化、 組蛋白甲基化及乙酷化、非編碼RNA (noncoding RNAs)的 于擾等。 神經(jīng)干細(xì)胞分化 (1) DNA甲基化對NSCs分化的影響 在NSCs的分化過程巾，細(xì)胞類型特異性基因的DNA序列會 發(fā)生去甲基化，在相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子及細(xì)胞因子作用下，這些 基因

15、會由抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S表達(dá)狀態(tài)，從而建立起細(xì)胞類 型特異性的基因表達(dá)模式，最終使NSCs分化為該種類型的 神經(jīng)細(xì)胞。 神經(jīng)干細(xì)胞分化 神經(jīng)干細(xì)胞分化 在娃振中期的胎兒體內(nèi)， Notch腺體在神經(jīng)元前體細(xì)胞以及早期形成的 神經(jīng)元中就已經(jīng)開始表達(dá)。Notch腺體的表達(dá)可以激活殘存的NSCs中的 Notch信號通路。一旦Notch被其腺體激活， Notch細(xì)胞內(nèi)區(qū)域(Notch intracellular domain， NICD)從質(zhì)膜上，釋放出來井上調(diào)核因子1 A (nuclear factor 1 A， NFl A)的表達(dá)，后者可以阻止DNMT1結(jié)合到星形膠 質(zhì)細(xì)胞特異性基因(包括gfa基因)

16、的啟動子區(qū)域，從而導(dǎo)致這些基因的啟 動子區(qū)域去甲基化 神經(jīng)干細(xì)胞分化 (2)組蛋白修飾對NSCs分化的影響 與DNA甲基化修飾相比，組蛋白修飾更為多樣和復(fù)雜，包括甲基化、乙 酰化、磷酸化、泛素化、蘇素化、糖基化、生物素化、羰基化及ADP核 糖基化等多種類型修飾。在上述多種類型修飾中，組蛋白賴氨酸殘基上 的甲基化及乙?；揎検茄芯康米顬榍宄膬煞N組蛋白修飾方式。 神經(jīng)干細(xì)胞分化 (3)非編碼RNA對NSCs分化的影響 在各種類型的RNA中，有關(guān)微小RNA (microRNA， miRNA) 對NSCs分化的影響研究得最多。 神經(jīng)干細(xì)胞分化 miR-124a主要在神經(jīng)組織中表達(dá)。 體外的研究表明，

17、 miR-124a可以 降解非神經(jīng)元基因的轉(zhuǎn)錄本，使 NSCs向神經(jīng)元分化。 miR-124a的表達(dá)受神經(jīng)元限制性 沉默因子/RE-1沉默轉(zhuǎn)錄因子的抑 制，后者僅在NSCs及非神經(jīng)元的 細(xì)胞中表達(dá)。 過表達(dá)miR-124及miR-9都會促進(jìn) NSCs向神經(jīng)元分化;反之，下調(diào)這 兩種miRNA的表達(dá)會使NSCs向非 神經(jīng)元細(xì)胞分化 神經(jīng)干細(xì)胞分化 T在不同類型的神經(jīng)細(xì)胞中. miRNA表達(dá)的種類不 同，如: miR-128、miR-129及miR-298僅在神經(jīng) 元中表達(dá);而miR-23僅在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá); miR-26及miR-29則既在神經(jīng)元中表達(dá)，又在神經(jīng) 膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，但在后者中的

18、表達(dá)量高于其在 前者中的表達(dá)量。因此，對某種miRNA表達(dá)的調(diào) 控可能是細(xì)胞內(nèi)在的一種需要，且這種調(diào)控對于 細(xì)胞的命運(yùn)至關(guān)重要。 肌肉干細(xì)胞分化 T在胚胎階段的生肌前體細(xì)胞中表達(dá)Pax3及Pax7兩種同源 盒轉(zhuǎn)錄因子(homeobox transcription factors).這兩種轉(zhuǎn)錄 因子對于生肌細(xì)胞系(myogenic cell lineage)的維持及特異 性至關(guān)重要。出生后，這些生肌前體細(xì)胞進(jìn)入體眠狀態(tài)， 轉(zhuǎn)變?yōu)?衛(wèi)星細(xì)胞(satellite cells).后者構(gòu)成了主要的肌肉干 細(xì)胞群。 TPax3及Pax7被認(rèn)為是維持肌細(xì)胞的特異性及肌肉組織形 成的主要調(diào)控子 肌肉干細(xì)胞分化 T肌肉細(xì)胞的分化首先需要衛(wèi)星細(xì)胞脫離細(xì)胞周期衛(wèi)星細(xì)胞 沉默狀態(tài)的維持或者在其被激活后生理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，是由 不同的機(jī)制調(diào)控的：一種機(jī)制是抑制細(xì)胞增殖的一種重要 的調(diào)控子-E2F轉(zhuǎn)錄因子的活性;另一種機(jī)制是將可以促進(jìn) H3K9me3及H3K27me3組蛋白修飾模式的甲基轉(zhuǎn)移酶招 募到細(xì)胞周期相關(guān)基因上，從而抑制這些基因的表達(dá)。 T染色質(zhì)重塑(chromatin remodeling)對于激活肌細(xì)胞特異 性基因的啟動子也是必須的。 肌肉干細(xì)胞分化 T對于衛(wèi)星細(xì)胞分化為肌細(xì)胞早期過程中所發(fā)生的