細胞生物學/幹細胞概述

幹細胞生物學 - 幹細胞概述 - 胚胎幹細胞 - 組織幹細胞 - 幹細胞與醫學

幹細胞的概念和分類

幹細胞存在於人體或動物個體整個發育過程中的各種組織中，具有自我更新(self-renewal)和多向分化潛能(pluripotency)的基本生物學特性，是個體的生長發育、組織器官的結構和功能動態平衡的維持，以及其損傷後的再生修復等生命現象發生的重要基礎。
人和動物的個體都來自於一個單細胞，即受精卵。受精卵經過卵裂、囊胚、原腸胚及器官發生等胚胎發育階段，以及胚後發育過程，最終發育成為一個成熟的個體，直至衰老死亡。受精卵細胞的分裂即卵裂，在其分裂3次（即8細胞期）之前，所產生的每一個細胞（包括受精卵）都具有全能性，也就是說，如果將處於這種狀態的任何一個細胞植入子宮後，它們都具有發育為一個完整個體的可能性。這種具有發育全能性的早期胚胎細胞，謂之全能幹細胞(totipotent stem cell)。隨着發育的進行，早期胚胎形成一個中空的球性結構，稱為胚泡。在胚泡內的一側出現一個小的細胞團，即內細胞團(inne1 cell mass, ICM)。內細胞團細胞具有分化為成熟個體中所有類型細胞的潛能，是一種多能幹細胞(pluripotent stem cell)。然而，單就內細胞團細胞來說，則沒有形成一個完整個體的能力，因為它們不能分化為胎盤和其他一些發育時所必需的胚外組織。若將內細胞團細胞在體外培養，這就是習慣上所說的胚胎幹細胞(embryonic stem cell, ES細胞）。隨着胚胎的繼續發育，內細胞團細胞（即多能性細胞）將快速增殖和進一步分化，逐步地形成三個胚層，以及相應的組織器官。這時，存在於各種胚胎組織器官發育的或在成體器官和組織中存在的幹細胞，通常只分化成相應組織器官組成的細胞。如造血幹細胞具有分化成血液系統所有細胞類型的潛能，參與肝臟發育的肝幹細胞具有分化為成熟肝細胞和膽管上皮細胞的潛能，參與神經系統發育的神經幹細胞具有分化為神經元、神經膠質細胞的潛能。這類在組織器官發育過程和成體組織修復和再生中起着重要作用的幹細胞被稱為組織特異性幹細胞(tissue-specific stem cell, 簡稱組織幹細胞），或者成體幹細胞(adult stem cell) , 它是一種專能性幹細胞(multipotent stem cell)。另外成體組織中還有一種幹細胞被稱為單能幹細胞(unipotent stem cell) , 但只能向一種密切相關的細胞類型分化，與分化細胞不同的是它具有自我更新能力，如上皮組織基底層幹細胞，肌肉中的成肌細胞等。
個體發育的各個階段都有幹細胞的存在。從全能性的受精卵到多能性的內細胞團再到專能性的成體幹細胞直至成體內的單能幹細胞，隨着個體發育的進行，幹細胞的分化潛能是一個逐漸變窄的過程。可以說，受精卵、內細胞團細胞的增殖和分化是機體發育的基礎，成體幹細胞的增殖和分化是成年動物組織和器官穩態的維持、損傷修復以及再生的基礎。

幹細胞的基本特徵

已有的證據表明，所有幹細胞在形態學上都具有原始細胞的一些基本特徵，其主要表現為細胞的體積較小（相對於所在組織中的細胞而言）、核/質比例相對較大，以及細胞質中各種細胞器（如內質網高爾基複合體及線粒體等）不夠發達等。
胚胎幹細胞和組織幹細胞的生化特性具有明顯差異，而不同組織的幹細胞更是具有各自特有的生化特性，而且與其所處的分化等級有關，常被用作鑑定幹細胞在組織中存在和評價其分化程度的標誌。如胚胎幹細胞表達OCT4(octamer-binding transcription factor 4)、SOX2[(sex determining region Y)-box2]、Nanog、STAT3(signal transducer and actvi ator of transcription 3), SSEA-1(stage-specific embryonic antigens 1)鹼性磷酸酶等分子；神經幹細胞表達中間纖維neslin、EGF(epidermal growth facto)受體和FGF2( fibroblast growth factor 2)受體等分子。細胞角蛋白是特異性存在於上皮細胞中的細胞骨架成分，也常被用作上皮組織幹細胞的標誌分子；造血幹細胞的端粒酶(telomerase)活性很高，但當它分化後，其端粒酶活性便隨之降低。