信号通路13—Stem Cell
信号通路13—Stem Cell
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▲图 Stem Cell信号通路图
一、干细胞简介
干细胞（Stem cells）是未分化的生物细胞，其可以分化成特定的细胞，并且可以分裂（通过有丝分裂）生成更多的干细胞。它们在多细胞生物体中被发现。在哺乳动物中，存在两种广泛类型的干细胞：胚胎干细胞（embryonic stem cells,），从囊胚的内细胞团中分离；成体干细胞（adult stem cells），在多种组织中被发现。在成体生物体中，干细胞和祖细胞（progenitor cells）作为身体的修复系统，补充成体组织。在发育中的胚胎中，干细胞可以分化成所有特定的细胞 - 外胚层，内胚层和中胚层，但也保持再生器官如血液，皮肤或肠组织的正常周转。
人类有三种已知的自体成体干细胞来源：
骨髓，需要通过钻进骨骼（通常是股骨或髂嵴）提取。
脂肪组织（脂质细胞），需要通过抽脂提取。
血液，需要通过单采提取，其中从供体抽出血液（类似于献血），并通过提取干细胞并将血液的其他部分返回给供体。
干细胞也可以在出生后从脐带血中取出。在所有干细胞类型中，自体收获涉及风险最小。根据定义，自体细胞是从自己的身体获得的，就像人们可以自己选择血液来进行外科手术一样。
二、干细胞性质
干细胞具有两个性质：自我更新（Self-renewal）和分化潜能（Potency）。
自我更新
能够在保持未分化状态的同时，经历许多细胞分裂周期。
存在两种机制来维持干细胞群：
强制性不对称复制：干细胞分裂为与原始干细胞相同的一个母细胞以及另一个子细胞。
随机分化：当一个干细胞发育成两个分化的子细胞时，另一个干细胞经历有丝分
裂并产生与原始细胞相同的两个干细胞。
分化潜能
分化为不同细胞类型的潜力。
全能干细胞（totipotent stem cells）：可以分化成胚胎和胚外细胞类型。这样的细胞可以构建完整的、活的生物体（可直接克隆人体）。这些细胞由卵和精子细胞的融合产生。受精卵前几次分裂产生的细胞也是全能的。
多能干细胞（pluripotent stem cells）：是全能细胞的后代，可以分化成几乎所有的细胞，即来自三个胚层的任何一个细胞。可直接复制各种脏器和修复组织。
多潜能干细胞（Multipotent stem cells）：可分化成许多细胞类型，但其分化能力有限，只限于与细胞系密切相关的细胞。
寡能干细胞（Oligopotent stem cells）：可以分化成仅几种细胞类型，如淋巴样细胞或骨髓干细胞。
单能干细胞（Unipotent stem cells）：只能产生一种类型的细胞。但具有自我更新的特性，将其与非干细胞（例如不能自我更新的祖细胞）区分开来。
随着不同分化阶层，越后段的干细胞，分化能力越有限。
胚胎干细胞（Embryonic stem cells）：是胚泡的内细胞团细胞。胚胎干细胞是多能的（pluripotent），并且在发育期间产生三种主要胚层的所有衍生物：外胚层，内胚层和中胚层。换句话说，当针对特定细胞类型给予足够和必要的刺激时，它们可以发育成成体中200多个细胞类型的每一种。它们不形成胚胎间膜或胎盘。
迄今为止几乎所有的研究已经利用了源于早期内细胞团的小鼠胚胎干细胞（mES）或人类胚胎干细胞（hES）。两者都具有必要的干细胞特征，但是它们需要不同的环境以保持未分化状态。小鼠ES细胞生长在一层明胶上作为细胞外基质（作为支撑），并需要在血清培养基中加入白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）。含有GSK3B抑制剂和MAPK / ERK通路抑制剂的混合药物也已被证明在干细胞培养中保持多能性（pluripotency）。人ES细胞在小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）制成的饲养层上生长，并需要碱性成纤维细胞生长因子（bFGF或FGF-2）的存在。没有最佳培养条件或遗传操作，胚胎干细胞将迅速分化。利用人胚胎干细胞在实验室中产生特定细胞如神经细胞或心脏细胞，科学家可以获得成人细胞，而不需
要从患者身上取组织。然后，他们可以详细研究这些特定的成人细胞，尝试并抓住疾病的并发症，或研究细胞对潜在新药的反应。
诱导的多能干细胞（Induced pluripotent stem cells，iPSCs）是由强制表达一组“重编程”因子的分化细胞衍生的多能ESC样细胞，其中最着名的是OCT-4，SOX2，KLF4和c-MYC。在成功的重编程（reprogramming）后，iPSCs表现出与ESCs 相似的基因表达特征，并表现出多能性和自我更新能力。这引起研究人员的极大兴趣，因为在研究中避免了使用源于人类囊胚的胚胎干细胞的许多固有的伦理和技术问题。iPSC在再生，个性化医学，药物筛选，了解调节胚胎发育的细胞信号传导网络等中具有巨大潜力。
三、干细胞通路
每个谱系的发育由控制细胞分裂，生长和分化的几种信号通路调节，包括BMP / TGF-β，Notch，Wnt /β-连环蛋白，Hedgehog和Hippo通路。这些通路中的每一个都由遗传，表观遗传（如组蛋白修饰）和外源信号传导因子的复杂阵列调节，其在细胞发育和分化期间引导细胞命运和行为。
BMP / TGF-β，Wnt通路
在人类中，负责维持胚胎干细胞多能性和自我更新的主要信号通路是BMP / TGF-β信号通路，（其通过SMAD蛋白传导信号）和FGF信号通路（其激活MAPK 和Akt通路）。Wnt信号通路也促进多能性，尽管这可能通过涉及转录激活物TCF1和阻遏物TCF3之间平衡的非经典机制发生。通过这些通路的信号导致三个关键转录因子的表达和激活：OCT-4，SOX2和NANOG。这些转录因子促进胚胎干细胞特异性基因的表达，调节自身的表达，并作为多能性的有用标志物。用于鉴定hESC 的其它标记物包括细胞表面糖脂SSEA3 / 4，糖蛋白TRA-1-60和TRA-1-81。
Hedgehog通路
Hedgehog (Hh)信号通路在脊椎动物中是保守的，在哺乳动物发育过程中尤其是神经管和骨骼具有高活性，但随后在大多数成体组织中沉默。然而，一些出生后的器官，如中枢神经系统和肺，依赖继续的Hh信号传导来进行损伤后的组织体内平衡和修复。
Hh通路活性需要几种细胞组分。这些包括参与Hh配体修饰和细胞表面结合的蛋白质[Hedgehog相互作用蛋白（Hip），Hedgehog酰基转移酶（Hhat），生长停滞特异性蛋白1（Gas1）和CDO]，Gli加工和定位[融合抑制剂（SuFu ），蛋白激酶A（PKA），糖原合成酶激酶3β（GSK3β），酪蛋白激酶1（CK1），G蛋白偶联受体激酶2（GRK2）和βTRCP]。在没有Hh配体的情况下，Ptch位于纤毛中并阻止Smoothened进入。Gli转录因子阻止靶基因转录。Hh（SHh，IHh，DHh）的三个哺乳动物同源物在细胞表面上结合Ptch，并允许其从初级纤维中移出。Smoothened被去除并移动到主要的纤毛，在那里可以激活Gli转录因子。在此过程中，Gli转录因子被加工成活化剂形式并转移到细胞核中以诱导Hh靶基因的转录。Gli1作为转录激活因子，Gli3作为抑制因子，而Gli2可以根据转录后和翻译后修饰来激活或抑制基因表达。
Hh信号传导诱导EMT和转移形成。在Hh信号传导的影响下经历EMT的细胞在获得间充质细胞特性时变得更具活力和侵袭性。这允许细胞从原发性肿瘤中逸出并循环到远处。一旦定制在遥远的地点，Hh可能需要克隆生长和自我更新。
Hippo通路
由高度保守的激酶级联（MST和Lats）和下游转录共激活因子（YAP和TAZ）组成的Hippo通路通过调节组织特异性干细胞在组织稳态和器官大小控制中起关键作用。此外，该通路在组织修复和再生中起着重要作用。Hippo通路的失调与癌症发展有关。
例如，Hippo通路可调节胚胎干细胞的自我更新和扩张。胚胎的外胚层组织形成外层上皮滋养外胚层（TE），其包围剩余的胚泡-内细胞团。Hippo通路在该过程中起重要作用。外细胞具有外部暴露的表面，并且由具有顶端和底侧结构域的质膜组成，而内细胞被外细胞完全包围。在外细胞中，YAP和TEAD4的核定位通过激活TE特异性基因如Gata3，Cdx2和Eomes来调节TE谱系的特化。在内细胞中，细胞粘附影响Hippo通路。激活的Hippo通路损害了内细胞团谱系中的YAP核定位，从而限制了TEAD4转录并消除其他TE特异性基因的表达。