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干细胞基础知识2:干细胞应用的基础——调控

2018-05-03 16:35:03        来源:恒峰干细胞

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。 

2.1 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。

 

2.2 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点和内胚层的分化。


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。

 

2.3 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。 

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