維持胚胎干細胞多能性與誘導(dǎo)定向分化

1、,,干細胞與再生醫(yī)學,姓名：張鑫學號：2120161211專業(yè)：病理學與病理生理學導(dǎo)師：李宗金,2016.12.15,維持胚胎干細胞的多能性及誘導(dǎo)定向分化,,ES 細胞多能性相關(guān)重要信號通路小分子化合物在ES細胞中的應(yīng)用,,ES 細胞在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用取決于能否自由操縱 ES 細胞的命運。 ES 細胞有許多重要的內(nèi)源轉(zhuǎn)錄因子可以決定其命運，如果不采用基因操作的手段很難控制這些轉(zhuǎn)錄因子的內(nèi)源水平。為此目前研究主要

2、選擇改變體外培養(yǎng)條件來控制 ES細胞自我更新或者步入分化的命運。所以，鑒定能夠決定 ES 細胞命運的信號通路以及下游的靶標蛋白具有十分重要的意義。,ES 細胞多能性相關(guān)重要信號通路,NO.1,,,LIF/JAK/STAT3 signaling pathway,體外培養(yǎng)小鼠 ES 細胞需要和滅活的成纖維細胞滋養(yǎng)層共培養(yǎng)白血病抑制因子（LIF）撤掉 LIF 致使 ES細胞迅速分化為中胚層和內(nèi)胚層的混合細胞群,,,STAT3 下游靶標基因

3、 關(guān)鍵多能性因子的有力候選基因,,直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子 Myc持續(xù)表達自我更新不再依賴 LIF,,,,下 游 靶 標 包 含 Klf4 ,Pim1/3 ,Prr13,Gbx2,Pramel7,Pem/Rhox5,Jmjd1a 以及 Tfcp2l1,,,過表達模擬 LIF 的功效,,,分離處于原始多能性狀態(tài)的人類 ES 細胞，這些細胞具有較高的 LIF/STAT3 活性，這證明了 LIF/STAT3 是原始多能性的強力標

4、志。Tfcp2l1在人類囊胚的內(nèi)細胞團中高水平表達，而從內(nèi)細胞團分離的人 ES 細胞內(nèi)，Tfcp2l1 的表達卻顯著下降，而其表達水平在重建原始多能性的過程中又明顯上調(diào)。敲降Tfcp2l1 的人類多能性干細胞無法完成向原始多能性的轉(zhuǎn)化。Tfcp2l1 可能是 LIF/STAT3 通路下游建立和維持原始 多能性的重要的效應(yīng)蛋白。,Wnt/β-catenin signaling pathway,基于N2B27 的化學成分明

5、 確的培養(yǎng)體系糖原合成激酶 3（GSK3）的抑制劑 CHIR99021（CHIR）,,,CHIR 不能維持 β-catenin 敲除的 ES 細胞自我更新，提示著β-catenin 在這一過程中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。,,TGF-β/SMAD signaling pathway,,TGF-β 生 長 因 子 超 家 族 可 以 分 為 兩 個 亞 組 ： TGF-β/Activin/Nodal 通 路 和BMP/Smad/I

6、d 通路。TGF-β 超家族執(zhí)行著進化保守的功能，包括胚胎形態(tài)發(fā)生，細胞命運選擇，細胞增殖，分化和凋亡。 兩個信號通路分別是被配體結(jié)合穿膜的Ⅰ型和Ⅱ型受體啟動，Ⅰ型受體的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域通過然后絲氨酸/蘇氨酸激酶活性磷酸化 TGF-β 通路的效應(yīng)蛋白——SMAD 蛋白（SMAD1，2，3，5，8）。磷酸化的 SMAD蛋白進行同源三聚化并和 SMAD4 形成異源復(fù)合物。激活的 SMAD 復(fù)合物易位進入核內(nèi)，識別特定的 DNA

7、序列啟動對靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。TGF-β/Activin/Nodal 通路對上皮樣細胞-間充質(zhì)干細胞轉(zhuǎn)化（EMT）過程至關(guān)重要，EMT 是胚胎發(fā)育的重要標志。,,在有血清無滋養(yǎng)層的條件下，BMP 通路可以協(xié)同 LIF/STAT3 通路維持小鼠 ES 細胞的自我更新。激活的 LIF/STAT3 主要抑制朝向中胚層和內(nèi)胚層的分化，而 BMPs 主要通過 SMAD1/5/8 抑制朝向神經(jīng)系統(tǒng)的分化。,,,NO.2,,小分子化合物在ES細胞中的應(yīng)

8、用,干細胞生物學，尤其是 iPS 技術(shù)的發(fā)展為 ES 細胞在再生醫(yī)學上的應(yīng)用提供了強大的理論基礎(chǔ)，同時也要求研究者們對 ES 細胞的維持及定向分化有更為深入的了解?，F(xiàn)已證明，靶向特定信號通路或機制的小分子化合物在控制細胞命運，狀態(tài)和功能方面有重要作用。這些小分子將對闡釋 ES 細胞生物學功能和促進其在再生醫(yī)學中的應(yīng)用發(fā)揮越來越重要的作用。 維持 ES 細胞多能性，或誘導(dǎo) ES細胞分化方面的取得一定研究進展的小分子化合物—

9、—SC1，CHIR99021，PD0325901，SB431542以及BIO 。,① SC1 能夠在無滋養(yǎng)層，無血清且無 LIF 添加的細胞培養(yǎng)液中使小鼠 ES 細胞保持未分化的多能性狀態(tài)。長期添加 SC1 的 ES 細胞能夠在體外分化為所有三個胚層的細胞，并且能生成嵌合小鼠?；瘜W和生物學的實驗表明SC1 是通過抑制 RsaGAP 和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶 （ERK1）而發(fā)揮作用的。RasGAP 的抑制能夠增強磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）

10、信號從而促進 ES 細胞的自我更新，同時 ERK1 的抑制還能夠抑制 ES 細胞的分化。,②CHIR99021 是糖原合酶激酶-3（GSK3）的特異性抑制劑，該通路的抑制會激活 Wnt 通路，從而促進細胞的自我更新。 ③PD0325901 是絲裂原活化蛋白激酶（MEK）的抑制劑，這一抑制作用阻止了 ES 細胞的分化。 同時添加這兩種小分子能夠在沒有外源細胞因子添加的情況下促進小鼠ES細胞的分離和長期的自

11、我更新。,④SB431542 是 TGF-β 受體的抑制劑，在其它細胞添加劑存在的條件下，Noggin（一個可以結(jié)合并抑制 BMP4 的分泌蛋白）與 SB431542 的加入能夠共同誘導(dǎo)大于 80%的人類 ES 細胞向神經(jīng)細胞分化。 這兩個通路抑制劑協(xié)同作用會影響人類 ES 細胞的自我更新（因為 TGF-β 信號通路是人類 ES 細胞維持自我更新所必需的），并阻止細胞分化為滋養(yǎng)外胚層，中胚層和內(nèi)胚層的細胞。,⑤BIO

12、是 Wnt 通路的激活劑，通過特異性的抑制 GSK-3 來維持人類和小鼠 ES 細胞的多能性和維持多能性特異性轉(zhuǎn)錄因子 Oct4，Rex-1 和 Nanog 的表達。 Wnt通路在未分化的小鼠 ES 細胞中自發(fā)激活并在分化過程中活性下降。同其它小分子一樣，BIO 介導(dǎo)的 Wnt 通路的激活是可逆的，當其被撤掉后，ES 細胞就可以進行正常的多向分化。小分子的這些特性也使它們更加有望用于再生醫(yī)學中。,,除此之外：,干細胞的

13、定向分化是生物體發(fā)育、生長和修復(fù)的基礎(chǔ),小分子化合物由于其顯著的優(yōu)勢越來越多地被應(yīng)用于體外誘導(dǎo)干細胞定向分化和疾病的治療。,用視黃酸處理的鼠胚胎干細胞會分化為神經(jīng)祖細胞, 再經(jīng)過 Shh 的特異性小分子拮抗劑 Hh -Ag1 .3處理 , 則定向分化為運動神經(jīng)元。 PI3 -K 抑制劑 LY294002 能促使體外培養(yǎng)的胚胎干細胞分化為分泌胰島素的 β 細胞。 抗壞血酸能有效地加強胚胎干細胞向心肌細胞分化。,

14、骨髓基質(zhì)干細胞(MSCs)在地塞米松、8 -甘油磷酸鈉 、維生素 C 的誘導(dǎo)作用下 , 能夠向成骨細胞分化 小分子化合物 D609 ，β -巰基乙醇(BME)、二甲基亞砜(DMSO)和丁羥基茴香醚(BHA)等能誘導(dǎo)MSCs 向神經(jīng)元樣細胞分化還可以向外胚層的神經(jīng)元細胞和內(nèi)胚層的肝卵圓性細胞分化。 由于其來源廣泛取材方便, 以及移植時發(fā)生免疫排斥反應(yīng)的程度較低 ,因而是目前臨床應(yīng)用前景較好的細胞替代治療的靶