改变生活的生物技术-第十二章

改变生活的生物技术1会“七十二变”的细胞-干细胞•超人具有超能力,刀枪不入,超级力量,超高,超级听力等。•ChristopherReeve是第一代超人扮演者。因马术比赛意外导致脊椎受损，全身瘫痪，后致力于推动干细胞研究。2004年10月9日时，里夫因为心肌梗塞陷入昏迷，并于隔日逝世，享年52岁。2超人的遗憾与梦想3•干细胞的概念•干细胞的分类•胚胎干细胞的伦理问题•横空出世的iPS细胞•干细胞治疗改变生活的生物技术4•干细胞的概念•干细胞的分类•胚胎干细胞的伦理问题•横空出世的iPS细胞•干细胞治疗改变生活的生物技术什么是干细胞？•干细胞(stemcells)是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞.干细胞在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞,它是形成哺乳类动物各组织器官的原始起源细胞。视频15•细胞不断分裂趋于专门化的现象被称为分化。•正常情况下，一旦细胞分化为有专门功能的细胞，就不再具有形成其他功能细胞的能力。6干细胞的分化细胞分化后不能复原的现象好比是从山顶滚向谷底的球1942C.H.Waddington7细胞分化后不能复原干细胞的特征•生化特征：具有高端粒酶活性。人类细胞每分裂一次，染色体末端的端粒短一截。端粒酶负责合成端粒DNA序列，从而来维持端粒的长度。•形态特征：圆形或椭圆形，核质比大。•增殖特征：增殖缓慢且稳定（与肿瘤细胞的本质区别）。•分化特征：具有分化潜能（金标准）。8染色体端粒9•1908年，俄国组织学家AlexanderMaksimov提出了干细胞的概念，他认为血液中所有的组分都来源造血干细胞。•1963年，加拿大科学家JosephAltman和GopalDas发现在小鼠骨髓中存在自我更新的细胞，证明了干细胞的存在。•1978年，在人类脐带血中发现了造血干细胞。•1981年，美国科学家GailMartin和英国科学家MartinEvans建立老鼠胚胎干细胞系。•1998年，美国科学家JamesThomson建立“人类胚胎干细胞系”。9干细胞研究发展简史10•干细胞的概念•干细胞的分类•胚胎干细胞的伦理问题•横空出世的iPS细胞•干细胞治疗改变生活的生物技术11干细胞种类一、按发育阶段分：•胚胎干细胞（EmbryonicStemCell)•成体干细胞(AdultStemCell)二、按分化潜能分：•全能干细胞(TotipotentialStemCell)•多能干细胞(PluripotentialStemCell)•专能干细胞(LimitedPotentialStemCell)1112干细胞种类一、按发育阶段分：•胚胎干细胞（EmbryonicStemCell)•成体干细胞(AdultStemCell)二、按分化潜能分：•全能干细胞(TotipotentialStemCell)•多能干细胞(PluripotentialStemCell)•专能干细胞(LimitedPotentialStemCell)1213•来源于囊胚期的内细胞团，是一种高度未分化细胞，具有发育的多能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞，参与胎儿所有组织器官发育过程。（视频2）囊胚胚胎干细胞（ES细胞）体外小鼠ES细胞系的建立SirMartinEvansUniversityofCambridge2007NobelprizeGailMartinUCSF•1981年，两组科学家在体外建立了小鼠的ES细胞系。•GailMartin首先提出了ES细胞的概念。14•关键点：饲养细胞层提供了抗分化因子，如LIF,BMP15体外人ES细胞系的建立JamesThomsonUniversityofWisconsin,Madison•1998年，JamesThomson利用自愿捐献的，在治疗不育症过程中多余的胚胎在体外建立了人的ES细胞系。•建立的策略与小鼠ES细胞系相同。16Science(1998)282:1145-114717维甲酸胰岛素，甲状腺激素维甲酸脂肪细胞神经细胞巨噬细胞平滑肌细胞胶质细胞和少突胶质细胞白介素巨噬细胞集落刺激因子联丁酰基cAMP,维甲酸成纤细胞生长因子成纤细胞生长因子，表皮生长因子成纤细胞生长因子，血小板源生长因子干细胞的分化•在不同因子的处理下，胚胎干细胞可以分化为除胎盘以外所有组织的细胞，包括脂肪细胞，神经细胞，巨噬细胞，平滑肌细胞，星形胶质细胞和少突细胞。(视频3)18干细胞种类一、按发育阶段分：•胚胎干细胞（EmbryonicStemCell)•成体干细胞(AdultStemCell)二、按分化潜能分：•全能干细胞(TotipotentialStemCell)•多能干细胞(PluripotentialStemCell)•专能干细胞(LimitedPotentialStemCell)1819•成体干细胞是存在于成体动物的已分化组织中的未分化细胞，可以自我更新，同时在一定的条件下也可以分化，产生各种特异的细胞类型•成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡19成体干细胞成体干细胞的种类：造血干细胞、神经干细胞、间充质干细胞、脂肪干细胞。……20成体干细胞(视频4)21干细胞种类一、按发育阶段分：•胚胎干细胞（EmbryonicStemCell)•成体干细胞(AdultStemCell)二、按分化潜能分：•全能干细胞(TotipotentialStemCell)•多能干细胞(PluripotentialStemCell)•专能干细胞(LimitedPotentialStemCell)21•全能干细胞具有形成完整个体的分化潜能，受精卵分裂3次以内的细胞是全能的。•多能干细胞可以分化除了胎盘以外的绝大多数的器官，如ES细胞。•专能干细胞已经失去了多能性，只具备了分化成具有专门功能的细胞的能力。如造血干细胞，神经干细胞等。22胚胎干细胞神经干细胞按分化潜能分类23•干细胞的概念•干细胞的分类•胚胎干细胞的伦理问题•横空出世的iPS细胞•干细胞治疗改变生活的生物技术人类胚胎干细胞引发的伦理问题•胚胎干细胞具有多能的分化潜能，因此在临床和科研上的用途最大。•但是，人类胚胎干细胞系的建立和研究会损伤或者毁坏胚胎。•在某些人看来，胚胎也是生命，因此这种做法侵犯了人权。2425什么时候开始算“人”？•胚胎发育14天后，神经系统出现，意识可能出现，因此可被视作人。该定义受到多国科学家的支持。•中国的“人胚胎干细胞研究伦理指导原则”说明：胚胎体外培养时限不得超过14天。•胚胎干细胞诱导成的胚胎，在培养14天之前不算人。胚胎发育14天时出现原条日本、澳大利亚、加拿大等允许使用体外受精丢弃的受精卵获取胚胎干细胞；中国、韩国、印度、以色列、新加坡允许治疗性克隆；英国最宽松，不但允许治疗性克隆，还允许在严格管理和监控下的生殖性克隆；美国：变化（布什“禁止”；奥巴马“允许”）26各国对胚胎干细胞研究的管理规定•2001年，美国总统小布什发布政令，限制联邦经费用于胚胎干细胞的研究。2009年，奥巴马上台后解除禁令。27美国对于干细胞研究的态度变化28•从胚胎中分离提取干细胞采用JamesThomson的方法，但胚胎来源受到限制•核移植技术制备干细胞采用与克隆羊“多利”相似策略，将体细胞核移植到卵细胞中，来制备胚胎干细胞。该方法存在技术难关，在2013年之前一直没有突破。该方法还需要提供卵细胞。•技术难度和伦理问题导致发展新的胚胎干细胞制备技术非常必要！28常规的胚胎干细胞制备方法滚到谷底的球还能回到山顶吗？1942C.H.Waddington29•谷底的球是分化后的体细胞，山顶的球是胚胎干细胞。•把滚到谷底的球推回山顶，就可以获得胚胎干细胞！30•干细胞的概念•干细胞的分类•胚胎干细胞的伦理问题•横空出世的iPS细胞•干细胞治疗改变生活的生物技术31滚到谷底的球可以回到山顶！•2006年8月25日，京都大学的山中伸弥在Cell上发表论文，宣布可以将小鼠的皮肤细胞，诱导为具有多种分化潜能的干细胞。•这种细胞被成为诱导多能干细胞(Inducedpluripotentstemcells,iPScells)。山中伸弥Cell(2006)126:663–676.32从外科医生到胚胎干细胞学家山中伸弥和导师ThomasInnerarity在Gladstone研究所•国立神户大学医学部失败的骨科实习生•大阪市立大学博士•Gladstone研究所博士后：从失败的胆固醇代谢研究转到干细胞研究•大阪市立大学助理教授：PAD综合症33开启不可能的任务•奈良先端科学技术研究生院副教授：将分化的成体细胞变回多能的干细胞。Gurdon实验和Dolly的提示失败的Fbx15DollyGurdon的体细胞克隆实验34完成不可能的任务•京都大学副教授Fbx15的“废物”利用24个因子的转化，完成不可能的任务Cell(2006)126:663–676.35神奇的4因子•经过筛减，只需要4个转录因子基因，可以获得iPS细胞。•干细胞的特性是由一个基因网络来维持，通过上调某些关键基因可以重建这个网络，从而逆转细胞的命运。36人类诱导多能干细胞的建立•2007年11月20日，JamesThomson和山中伸弥分别在Science和Cell上发表论文，同时宣布找到了4个初始化基因，利用人的皮肤细胞，成功培养出诱导多能干细胞。JamesThomson山中伸弥37神奇4因子在人中也奏效•山中伸弥:Oct4，Sox2，Klf4，c-Myc•Thomson:Oct4，Sox2，Lin28，NanogScience.2007Dec21;318(5858):1917-20.Cell.2007Nov30;131(5):834-5.38早期iPS细胞技术的问题•效率低体细胞重编程iPS细胞的比例仅为0.01-0.1％•致癌风险病毒载体、基因组插入；4因子中有2个癌基因39更高效、更安全的iPS细胞技术•用重组蛋白代替转录因子代表人物：丁盛，美国加州大学旧金山分校Gladstone研究所研究员•用化学小分子代替转录因子代表人物：邓宏魁，北京大学生科院教授40小保方晴子事件•2014年1月，RIKEN的小保方晴子在Nature发表论文，提出采用酸浴和挤压等方法简便地培育出刺激触发的多能性获得细胞，简称STAP细胞。•STAP细胞产生条件简单，不需要遗传操作，是对iPS细胞技术的革命性发展。小保方晴子41小保方晴子事件•论文确认造假。•2014年6月，小保方晴子的Nature论文被撤销。•2014年8月，小保方晴子的日方导师，干细胞科学家笹井芳树自缢身亡•2014年12月，小保方晴子从RIKEN辞职。•2015年11月，小保方晴子的博士学位被早稻田大学取消笹井芳树42iPS细胞的诺贝尔奖时刻•山中伸弥获得了2012年诺贝尔生理和医学奖。与其共同获奖是“体细胞克隆之父”JohnGurdon。他们获奖的原因是“发现了成熟的细胞可以通过重编程，被逆转为多能的细胞”。山中伸弥JohnGurdon43iPS细胞技术是新的里程碑•细胞来源方便，操作简单•使用自身细胞，减少免疫排斥。•规避了胚胎干细胞研究的伦理壁垒•iPS细胞技术助推再生医学的快速发展。44•干细胞的概念•干细胞的分类•胚胎干细胞的伦理问题•横空出世的iPS细胞•干细胞治疗改变生活的生物技术4545•干细胞治疗：利用干细胞的多能性，以干细胞为“种子”，培育出新的组织器官替换损伤的、自身病变或衰老的组织器官。•目前唯一成熟的干细胞治疗是骨髓移植干细胞治疗白血病46•白血病，亦称作血癌，通常发病于骨髓，造成不正常的白血球大量增生。这些异常增加的白血球都尚未发育完成，称之为芽细胞或白血病细胞。大量增生的白血病细胞积聚并浸润其他器官和组织，同时使正常造血受抑制。正常人的血液（左）和白血病患者的血液（右）骨髓移植治疗白血病47•1956年，FredHu