干细胞及其生物学特性

第二节　干细胞及其生物学特性

干细胞(stem cell)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。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。

根据研究角度的不同，干细胞的分类主要有两种方法。

一种方法是按照干细胞的分化潜能可将其分为全能干细胞(totipotent stem cell)、多能干细胞(pluripotent stem cell)、专能干细胞(multipotent stem cell)及单能干细胞(unipotent stem cell)。所谓全能干细胞是具有受精卵全能性的细胞，可分化为胚胎和胎盘的滋养层细胞，进一步分化形成一个完整的个体。在人的发育过程中，卵细胞受精后产生了一个单细胞的受精卵，受精卵经几次分裂发育成相同的全能细胞(totipotent cells)，其中每一个细胞都可以发育成一完整的人体;多能干细胞是受精9d后，这些细胞经数次分裂发育成囊胚。囊胚具有外层细胞和内细胞团(inner cellmass，ICM)，外层细胞形成胎盘和支持组织，内细胞团可以分化成3个胚层，即可形成各器官系统。虽然内细胞团可以形成每一种组织，但它不能形成完整的胎儿，因为它不能形成胎盘和支持组织。因此，这类内细胞团称为多能干细胞。多能干细胞进一步特化产生具有特殊功能的细胞群体，即专能干细胞。专能干细胞分化潜能较之多能干细胞分化潜能低，但也具有多项分化功能，如造血干细胞分裂分化产生红细胞、白细胞、血小板，皮肤干细胞产生各种类型的皮肤细胞。单能干细胞分化潜能最低，仅能产生一种类型细胞，例如表皮干细胞(epidermal stem cell)和睾丸中的精原干细胞(spermatogonial stem cell)。

另一种方法是根据细胞来源将干细胞分成胚胎性干细胞和成体干细胞。前者是指源自囊胚内细胞团的胚胎干细胞(embryonic stem cell，ES细胞)和来源于早期胎儿原始生殖嵴的生殖干细胞(embryonic germ stem cell，EG细胞)。成体干细胞(adult stem cell)是指组织和器官特异性干细胞。过去人们认为，只有不断更新的组织才存在这种干细胞，如血液、小肠黏膜、表皮等。但近年来的研究结果表明，一些认为成熟后不再进行分裂的组织，如在脑和肝脏中，也存在着干细胞。研究发现成体干细胞广泛存在于各种组织，包括骨髓、外周血、皮肤、胃肠道上皮、脑、脊髓、血管、骨骼肌、肝、胰、角膜、视网膜、牙髓及脂肪等。有关成体干细胞的来源尚未定论。目前有两种看法:一种认为成体干细胞是个体发育中残留下来的胚胎性干细胞;另一种认为是成体干细胞在特殊情况下(如外伤)，经过重新编程后形成。

干细胞的特点包括: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干细胞具有无限的增殖分裂能力，能够进行自我更新;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。

一、干细胞的形态和生化特征

干细胞在形态上有一些共性。通常，干细胞为圆形或椭圆形，体积较小，核质比相对较大，均具有较高的端粒酶(telomerase)活性。不同类型干细胞的形态特征有所不同，生化标志特点也各有差异。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。然而，干细胞的生存环境可影响其形态和生化特征，不能仅根据干细胞的形态和生化特征来寻找干细胞。具有增殖和自我更新能力以及在适当条件下表现出一定的分化潜能才是干细胞的本质特征。

二、干细胞的增殖特性

(一)干细胞增殖的缓慢性

干细胞具有无限的增殖分裂能力。但是干细胞分裂较慢，这有利于其对特定的外界信号作出反应，以决定是进入增殖还是分化程序，同时有利于减少干细胞内基因突变的危险。实际上，在干细胞进行分化时，干细胞并非直接分化成为有功能的分化细胞，其必须经过一个快速的增殖期，产生过渡放大细胞(transit amplifying cell)，又称快速自我更新细胞(rapidly self-renewing cells，RS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。过渡放大细胞分裂较快，经若干次分裂后产生分化细胞，其作用是可以通过较少的干细胞产生较多的分化细胞。

(二)干细胞增殖的自稳定性

生物体器官组织的自我更新必须通过干细胞的增殖来完成。对于许多干细胞而言，其寿命可伴随生物体个体发育整个过程。在生物体个体发育漫长的一生中，干细胞不断自我更新并可维持自身数目恒定，这就是干细胞的自稳定性(self-maintenance)，是干细胞的基本特征之一。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。

对称分裂(symmetry division)是指干细胞分裂时产生同型的细胞，如两个子细胞全是干细胞或全是分化细胞。

不对称分裂(asymmetry division)是细胞分裂时产生异型的细胞，如两个子细胞一个是干细胞，而另一个是分化细胞。不对称分裂是无脊椎动物干细胞维持自身数目恒定的方式，其受一系列基因的控制。由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细胞不可逆地走向分化的终端成为功能专一的分化细胞;另一个保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来。大多数哺乳类动物的可自我更新组织中，干细胞分裂产生的两个子细胞既可能是两个干细胞，也可产生两个特定的分化细胞;当组织处于稳定状态时，干细胞通常进行不对称分裂，既产生一个子代干细胞和一个特定分化细胞。高度进化的哺乳动物对其干细胞分裂的调控是多角度多层次、十分精确的，以保持干细胞数目的恒定。

三、干细胞的分化特征

如前所述，根据干细胞的分化潜能可将其分为全能干细胞、多能干细胞、专能干细胞以及单能干细胞。胚胎性干细胞属多能性干细胞，其进一步分化产生成体干细胞。成体干细胞为专能干细胞，其分化潜能受限。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(神经元、神经胶质细胞)分化而不能分化成其他类型细胞。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。这样由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细胞的现象，称为干细胞的转分化(trans-differentiation)。

目前有关干细胞转分化的机制，尚未研究清楚。有人认为移植的成体干细胞可能与植入新器官组织中的细胞发生细胞融合，形成四倍体细胞，从而获得了转分化的能力。但也有实验证明，干细胞的转分化能力与细胞融合无关。例如Jiang等证明在体外来源于骨髓的单个整倍体专能干细胞可分化成为3个胚层的细胞，而这些专能干细胞并未与这3个胚层的细胞共同培养，提示干细胞转分化机制的复杂性。

干细胞向其前体细胞的逆向转化称为干细胞的去分化(dedifferentiation)。去分化现象在植物细胞中很常见，这也是植物组织培养的理论基础。但是对于高等动物细胞是否存在逆向分化一直存在争论。目前有少量证据表明，造血干细胞植入鼠卵泡的内细胞团后，成体鼠造血干细胞分化发生逆转，提示干细胞去分化现象的存在。

目前有关干细胞可塑性的机制知之甚少，有关转分化和去分化的生理意义尚未知晓。但是研究干细胞转分化和去分化的意义非常重要。这对于体外培养诱导干细胞的定向分化，用于细胞治疗具有重要意义。

四、干细胞增殖与分化的微环境

干细胞生长、增殖、分化受到外界信号(如生长因子、基质或外部环境)，以及内部核因子等生存微环境影响。人们将一系列的干细胞与细胞外所有物质共同构成的一个细胞生长的微环境称为干细胞生境(stem cell niche)。由于干细胞生境直接影响到干细胞将来发育成什么细胞，因此人们对干细胞生境的研究特别感兴趣。干细胞生境在体内可维持干细胞处于未分化状态，其三维空间环境可支持和控制干细胞的自我更新，以及其后代分化细胞的产生。目前研究较多的细胞外基质因子β-整合素(β-integrin)，其高表达对于表皮干细胞的维持是至关重要的。整合素具有将干细胞置于组织中正确的位置上，否则会脱离其生存的微环境而分化或凋亡。而整合素的激活和表达受到一系列的基因以及胞间基质中蛋白质的调节。干细胞能否维持其未分化的状态，或增殖或分化，均依赖于干细胞生境对它的调控作用，细胞分泌的因子、细胞间的相互作用以及细胞外基质成分均对干细胞的生存及发育起到重要的调控作用。例如，如将小鼠的内胚层细胞移植入另一只小鼠胰腺的分散细胞中，内胚层细胞可转变为胰腺细胞的前体细胞。由此可见，干细胞被移植到新的环境后，它的特性会发生改变，而带有新环境的烙印，形成与新环境相关的干细胞，从而体现出干细胞的可塑性(stem cell plasticity)。