家畜胚胎干细胞多能性候选信号通路及分子标志

家畜胚胎干细胞具有重要的生物学意义和广阔的应用前景。以下对比了小鼠、人胚胎干细胞多能性调控信号通路的异同,阐述了小鼠、人胚胎干细胞与家畜胚胎干细胞在多能性分子标志上的差异,并结合本实验室开展绵羊胚胎干细胞研究的实际经验,对目前家畜胚胎干细胞建系中可能存在的多能性候选信号通路及分子标志进行了探讨。     

小鼠上胚层多能干细胞研究进展

小鼠上胚层干细胞(mouse epiblast stem cell,mEpiSC)是一种来自于5.5天~7.5天小鼠胚胎上胚层(epiblast)组织的多能性干细胞。EpiSC自我更新能力和多能性的维持主要依赖激活素(Activin/Nodal)和成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)信号,Activin和FGF信号对细胞多能网络进行调控,EpiSC培养体系和分离方法目前仍处于不断优化的过程。相比于处于"幼稚(na?ve)"状态的小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cell,mESC),mEpiSC被认为处于"待发(primed)"状态。虽然mEpiSC被注射入囊胚后,细胞嵌合效率较低,但是当其被移植入着床后胚胎时,却比mESC更容易与受体胚胎发生嵌合。因此,来源于小鼠着床后胚胎的EpiSC与来自于着床前胚胎的ESC相比,在多能性维持、发育潜能和诱导方法等方面存在本质区别。该文对小鼠EpiSC和ESC进行比较,并综述目前小鼠EpiSC的研究进展。     

猪胚胎干细胞研究进展

胚胎干细胞是一类具有在体外无限自我复制和分化为体内任何种类细胞的多潜能细胞。目前,公认的胚胎干细胞全能性判断标准包括:体内及体外向三胚层细胞分化和二倍体嵌合后能形成生殖细胞。从1981年Kaufman等第一次分离小鼠胚胎干细胞至今,能满足这些标准的只有小鼠、大鼠和鸡的胚胎干细胞系。猪作为一种生理结构和器官的三维结构和人都比较相似的传统药物实验模型,其胚胎干细胞系的建立一直受到广泛的关注,但是迄今为止真正的猪胚胎干细胞系(即满足上述判定标准)还未被建立起来。本文将从多个方面阐述猪胚胎干细胞系的研究进展及亟待解决的问题。猪的全基因组序列已经测序完成,相信随着干细胞研究的深入开展,对维持多能性的转录因子和细胞信号通路认识的逐步加深,建立真正的猪胚胎干细胞系将成为可能。     

维持胚胎干细胞多能性的分子机制

胚胎干细胞（ES细胞）来源于早期发育的胚胎,具有分化为任何细胞类型的多能性,因此具有巨大的基础研究及潜在的应用前景.目前认为ES细胞主要通过一些外源性信号分子的作用及某些重要的内源性转录因子的表达共同起作用来达到其维持多能性的目的.外源性信号分子LIF、BMP4以及Wnt等介导的信号传导通路与内源性转录因子Oct4、Nanog、Sox2、FoxD3等共同起作用来抑制那些促进ES细胞分化的基因表达和激活那些有助于维持ES细胞多能性维持的基因表达,进而形成一个相互调控和依存的基因调控网络共同维持ES细胞的多能性.     

小分子物质对维持胚胎干细胞未分化状态的调控作用

胚胎干细胞作为一种具有多潜能和高度自我更新能力的种子细胞,己被广泛地应用于医学研究领域。在体外培养条件下,胚胎干细胞可被诱导分化为三个胚层来源的组织细胞,故被看作为最具有应用前景的种子细胞。近年来,对于在体外培养条件下如何维持胚胎干细胞的多能性即使其较长时期的处于未分化状态成为研究热点,其中一些天然存在或人工合成的小分子物质可通过作用于某些特定的靶信号通路,调控胚胎干细胞的分化命运。本文概述了几种小分子物质的最新研究进展,并对小分子物质在成体多分化潜能胚胎样干细胞分化调控方面的应用前景进行评述。     

维持胚胎干细胞生物学特性的分子调控机制

胚胎干(embryonic stem,ES)细胞来源于植入前的胚胎.在体外培养条件下,可保持分化成机体各种类型细胞的能力,即全能性.因此,胚胎干细胞被广泛用作研究胚胎发生、发育的细胞模型,也是目前开展细胞移植性治疗研究的重要来源.揭示维持ES细胞自我更新和全能性的分子调控机制,是ES细胞基础研究和临床治疗基础研究的重要领域.目前研究发现,不同的信号通路、转录因子及其通过激活ES细胞特异性表达谱对维持ES细胞多能性、自我更新发挥关键作用。     

诱导多能干细胞(iPS)的诱导培养与鉴定

通过外源转录调控因子的诱导,使成体细胞重编程为胚胎干细胞(ES细胞)样的多能细胞,这种细胞称为诱导多能干细胞(iPS细胞),这一方法被称为iPS技术。目前,iPS技术已先后在小鼠、人、猕猴、大鼠和猪中成功应用,建立了相应的iPS细胞系,并获得了iPS细胞嵌合小鼠和四倍体克隆小鼠。尽管iPS与ES细胞在形态和生长特性上有许多相同之处,但iPS细胞的建立需要较独特的诱导培养体系和鉴定方法。以下结合近年来iPS技术的发展和本实验室的相关研究,对iPS细胞的建立和培养体系的优化进行了深入探讨。     

诱导性多能干细胞研究技术的现状与前景

2006年Takahashi研究小组成功地将小鼠的胚胎成纤维细胞和鼠尾成纤维细胞重编成为诱导性多能干细胞(iPSC),开创了体细胞重编程的全新方法,所得iPSC具有和胚胎干细胞相似的生物学特性,不仅解决了人类胚胎干细胞研究所面临的伦理学困境和免疫排斥问题,而且进一步深化了对细胞多能性和基因组重编程的认识,再次掀起了干细胞研究的热潮。iPSC结合基因治疗和细胞治疗的成果已经应用到动物疾病模型上。iPSC能够自我更新并维持未分化状态,可分化为3个胚层来源的所有细胞,参与形成机体所有组织和器官,体外定向诱导能够分化出各种成体细胞,在理论研究和临床应用等方面都极具应用价值。但iPSC技术也存在一系列问题需要研究解决。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞(primordial germ cell,PGC)均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞(胚胎干细胞或诱导型多能干细胞)具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

原始生殖细胞发生的机制

生殖细胞的发生是发育和遗传的基础。在几乎所有哺乳动物中,原始生殖细胞（primordial germ cell,PGC）均由近端上胚层体细胞在周边细胞特定的信号诱导下特化而成。目前的研究已经发现一些与生殖细胞特化有关的信号分子和关键转录调控元件,以及特化后生殖细胞获得的与体细胞不同的生物特性。生殖细胞的特化是一个结合了体细胞发育程序的抑制、细胞多能性程序的启动和全基因组表观遗传重编程三个方面的动态的复杂过程。多能性干细胞（胚胎干细胞或诱导型多能干细胞）具有发育全能性,能分化为机体任何一种细胞类型,包括生殖细胞。利用多能性干细胞体外分化形成生殖细胞有助于深入系统地研究配子发生的调控机制,为干细胞在不育症治疗方面的应用带来新希望。     

Stem cell maintenance by manipulating signaling pathways: past,current and future

Pluripotent stem cells only exist in a narrow window during early embryonic development, whereas multipotent stem cells are abundant throughout embryonic development and are retainedin various adult tissues and organs. While pluripotent stem cell lines have been established from several species, including mouse, rat, and human, it is still challenging to establish stable multipotent stem cell lines from embryonic or adult tissues. Based on current knowledge, we anticipate that by manipulating extrinsic and intrinsic signaling pathways, most if not all types of stem cells can be maintained in a long-term culture. In this article, we summarize current culture conditions established for the long-term maintenance of authentic pluripotent and multipotent stem cells and the signaling pathways involved. We also discuss the general principles of stem cell maintenance and propose several strategies on the establishment of novel stem cell lines through manipulation of signaling pathways. [BMB Reports 2015; 48(12): 668-676]     

Effects of different feeder layers on culture of bovine embryonic stem cell-like cells in vitro

To find a suitable feeder layer is important for successful culture conditions of bovine embryonic stem cell-like cells. In this study, expression of pluripotency-related genes OCT4, SOX2 and NANOG in bovine embryonic stem cell-like cells on mouse embryonic fibroblast feeder layers at 1–5 passages were monitored in order to identify the possible reason that bovine embryonic stem cell-like cells could not continue growth and passage. Here, we developed two novel feeder layers, mixed embryonic fibroblast feeder layers of mouse and bovine embryonic fibroblast at different ratios and sources including mouse fibroblast cell lines. The bovine embryonic stem cell-like cells generated in our study displayed typical stem cell morphology and expressed specific markers such as OCT4, stage-specific embryonic antigen 1 and 4, alkaline phosphatase, SOX2, and NANOG mRNA levels. When feeder layers and cell growth factors were removed, the bovine embryonic stem cell-like cells formed embryoid bodies in a suspension culture. Furthermore, we compared the expression of the pluripotent markers during bovine embryonic stem cell-like cell in culture on mixed embryonic fibroblast feeder layers, including mouse fibroblast cell lines feeder layers and mouse embryonic fibroblast feeder layers by real-time quantitative polymerase chain reaction. Results suggested that mixed embryonic fibroblast and sources including mouse fibroblast cell lines feeder layers were more suitable for long-term culture and growth of bovine embryonic stem cell-like cells than mouse embryonic fibroblast feeder layers. The findings may provide useful experimental data for the establishment of an appropriate culture system for bovine embryonic stem cell lines.     

Fate of undifferentiated mouse embryonic stem cells within the rat heart: role of myocardial infarction and immune suppression

It has recently been suggested that the infarcted rat heart microenvironment could direct pluripotent mouse embryonic stem cells to differentiate into cardiomyocytes through an in situ paracrine action. To investigate whether the heart can function as a cardiogenic niche and confer an immune privilege to embryonic stem cells, we assessed the cardiac differentiation potential of undifferentiated mouse embryonic stem cells (mESC) injected into normal, acutely or chronically infarcted rat hearts. We found that mESC survival depended on immunosuppression both in normal and infarcted hearts. However, upon Cyclosporin A treatment, both normal and infarcted rat hearts failed to induce selective cardiac differentiation of implanted mESC. Instead, teratomas developed in normal and infarcted rat hearts 1 week and 4 weeks (50% and 100%, respectively) after cell injection. Tight control of ESC commitment into a specific cardiac lineage is mandatory to avoid the risk of uncontrolled growth and tumourigenesis following transplantation of highly plastic cells into a diseased myocardium.     

NANOG在哺乳动物早期胚胎发育与干细胞中的功能研究进展

哺乳动物的早期胚胎发育和干细胞多能性由转录因子构成的基因网络所调控。2003年,在胚胎干细胞中发现的重要转录因子NANOG位于基因网络调控中心,对胚胎第二次命运决定和基态多能性的建立至关重要。该文将在NANOG生物学特征的基础上,重点讨论其在早期胚胎发育、胚胎干细胞与诱导性多能干细胞中的功能。     

胚胎干细胞起源的探讨

目前胚胎干细胞(ESCs)建系的取材来源包括桑椹胚的卵裂球、囊胚的内细胞团(ICM)、上胚层细胞和原始生殖细胞(PGCs),甚至从新生鼠睾丸细胞也分离得到类ES样细胞系。这就提出了一个问题,什么是ESCs最接近的体内细胞来源。传统观念常常把ESCs等同于ICM细胞,也有学者认为ESCs更象上胚层细胞,而在已知的分子标记基因方面,ESCs所具有的特征更接近体内早期生殖细胞。不清楚ESCs最接近的体内细胞来源,可能是制约许多品系小鼠和大多哺乳类动物建系成功率提高的原因之一。ESCs系与EG细胞系的分离条件不同表明,加强对ESCs多能性维持基因调控研究具有重要意义。本文从ESCs的经典概念及其发展,早期胚胎细胞和生殖细胞发育规律,早期胚胎细胞、早期生殖细胞和ESCs的关系等方面进行综合分析,认为ESCs可能有多种接近的体内细胞来源。进一步应通过对ESCs建系不同的取材细胞和不同品系的ESCs间进行比较研究,以便弄清ESCs的来源和转化机制,为提高不同物种ESCs建系效率提供理论支持。     

Search for nave human pluripotent stem cells

Normal mouse pluripotent stem cells were originally derived from the inner cell mass(ICM) of blastocysts and shown to be the in vitro equivalent of those pre-implantation embryonic cells, and thus were called embryonic stem cells(ESCs). More than a decade later, pluripotent cells were isolated from the ICM of human blastocysts. Despite being called human ESCs, these cells differ significantly from mouse ESCs, including different morphology and mechanisms of control of pluripotency, suggesting distinct embryonic origins of ESCs from the two species. Subsequently, mouse pluripotent stem cells were established from the ICMderived epiblast of post-implantation embryos. These mouse epiblast stem cells(Epi SCs) are morphological and epigenetically more similar to human ESCs. This raised the question of whether cells from the human ICM are in a more advanced differentiation stage than their murine counterpart, or whether the available culture conditions were not adequate to maintain those human cells in their in vivo state, leading to a transition into Epi SC-like cells in vitro. More recently, novel culture conditions allowed the conversion of human ESCs into mouse ESC-like cells called nave(or ground state) human ESCs, and the derivation of nave human ESCs from blastocysts. Here we will review the characteristics of each type of pluripotent stem cells, how(and whether) these relate to different stages of embryonic development, and discuss the potential implications of nave human ESCs in research and therapy.     

胚胎干细胞向血液干细胞定向分化的研究进展

骨髓移植是目前治疗恶性白血病以及遗传性血液病最有效的方法之一。但是HLA相匹配的骨髓捐献者严重短缺,骨髓造血干细胞（hematopoietic stem cells,HSCs）体外培养困难,在体外修复患者骨髓造血干细胞技术不成熟,这些都大大限制了骨髓移植在临床上的应用。多能性胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs）具有自我更新能力,在合适的培养条件下分化形成各种血系细胞,是造血干细胞的另一来源。在过去的二十多年里,血发生的研究是干细胞生物学中最为活跃的领域之一。小鼠及人的胚胎干细胞方面的研究最近取得了重大进展。这篇综述总结了近年来从胚胎干细胞获得造血干细胞的成就,以及在安全和技术上的障碍。胚胎干细胞诱导生成可移植性血干细胞的研究能够使我们更好地了解正常和异常造血发生的机制,同时也为造血干细胞的临床应用提供理论和实验依据。     

人胚胎干细胞传代培养及细胞化学染色特性

目的 体外建立人胚胎干细胞传代培养方法,研究人胚胎干细胞细胞化学染色特性.方法 以小鼠胚胎成纤维细胞作为饲养层传代培养人胚胎干细胞,检测人胚胎干细胞、自发分化克隆及拟胚体的细胞化学染色特性.结果 人胚胎干细胞在小鼠胚胎成纤维细胞饲养层上传30代以上其形态保持不变;人胚胎十细胞碱性磷酸酶、过碘酸-雪夫反应、α-醋酸萘酚酯酶染色阳性,自发分化克隆细胞阳性程度明显减弱;人胚胎干细胞形成的拟胚体碱性磷酸酶染色弱阳性,过碘酸-雪夫反应、α-醋酸萘酚酯酶染色阳性.结论 小鼠胚胎成纤维细胞能支持人胚胎干细胞传代培养,细胞化学染色结果能初步鉴别人胚胎干细胞未分化特性.