什么是全能干细胞?

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发布日期:2020年12月18日

|最后更新:2022年3月23日

Michele Trott博士

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干细胞是根据他们的程度来区分的效力，这是指它们分化成不同细胞类型的能力不同。全能细胞是所有干细胞中最强大的，对它们进行定义对研究和再生医学领域非常重要。

全能干细胞的定义

全能干细胞有两种定义，这反映了表征它们的内在技术困难¹:

全能细胞是指在适当的母体支持下(最严格的定义)可以产生新生物的单个细胞。
一个全能的细胞是一个可以产生所有的胚胎外组织，加上所有的身体组织和生殖系(较不严格的定义)

最初的全能性测试是由塔可夫斯基(1959年)在小鼠身上进行的。²他分离出了一个卵裂球(由细胞分裂产生的细胞)受精卵，由2-16个单元格组成)，将其放置在一个空的透明带，并监测其发育为活仔。

这种方法并非无懈可击;的失败卵裂球支持嵌合体发育可能表明与重建胚胎相关的局限性，而不是有关细胞的发育潜力受到限制。

正是由于这个原因，全能性的第二种不那么严格的定义也被广泛使用。

有两个定义不可避免地会造成混淆，特别是“全能性”一词在文献中经常被不恰当地使用。有人认为，这造成了不必要的伦理争议，具有实际和政治意义。^3.

有时，如果细胞仅仅参与胚胎过程，就会被授予“全能性”一词——然而，这并不意味着它们一定能产生有机体。造成错误分类的其他常见原因包括假设早期胚胎标记的表达意味着全能性，以及将部分或表面与胚胎相似作为全能性的证据。^3.

全能干细胞与多能细胞不同，多能细胞可以分化成三种胚层中的任何一种细胞，而多能细胞的功能则较弱。

为什么要对全能干细胞大惊小怪?

与其他干细胞相比，全能干细胞具有更大的发育潜力。有能力分离和培养全能干细胞创造了许多治疗和研究的可能性¹相关:

研究合子基因组激活(发育完全由合子基因组而不是母体基因组控制的点)⁴
重组表观基因组(治疗表观遗传改变引起的病理状况)⁵
更详细地了解早期胚胎发育
创造人与动物嵌合体⁶(理论上，拥有人体器官的动物可以帮助疾病建模、药物开发和移植)¹

干细胞越来越多地被用作研究中的模型系统。区分干细胞类型依赖于对胚胎学路线图和定义其途径的因素的理解。

全能干细胞的来源

的二倍体受精卵细胞是全能的。全能细胞也存在于细胞的后续分裂中受精卵，之前的崛起滋养外胚层血统(这发生在受精后大约4天，取决于物种)。

要了解全能干细胞的起源，熟悉胚胎发育的早期阶段和相关术语是有帮助的。

下表强调了早期胚胎发育的重要阶段，并说明了全能性干细胞不再存在和多能性细胞产生的定义点。

早期胚胎发育的主要阶段

*为了提供哺乳动物胚胎学的统一发育年表，卡内基科学研究所开发了一套23个阶段，称为“卡内基阶段”，其中阶段由形态发育来定义，而不是直接由年龄或大小来定义。

**注意:压实时的细胞数量因哺乳动物种类而异

全能干细胞什么时候会发生变化?

全能性细胞在内细胞团形成前后就不再存在了滋养外胚层血统建立了。¹全能干细胞会分裂和分化产生细胞，这些细胞将发育成三个胚层之一:

细胞	效力	命运
外胚层	多能	外胚层产生三个主要胚层(外胚层、内胚层、中胚层)，这三个胚层将形成所有胚层体细胞血统加上生殖系．
内胚层	不是万能的，也不是全能的	下胚细胞产生胚外细胞原始内胚层即卵黄囊，当原始胎盘循环已经建立时，卵黄囊为胚胎提供营养。
滋养层	不是万能的，也不是全能的	滋养层产生各种胚胎外结构，使着床进入子宫壁，分泌人绒毛膜促性腺激素，使孕激素从子宫分泌黄体，形成绒毛膜(胎盘的胎儿部分)。

术语表

分裂球的分裂所产生的细胞受精卵，由2-16个单元组成

嵌合体:一种由多种细胞群混合而成的有机体受精卵(来自同一或不同物种)。可以通过不同的过程形成，例如早期胚胎的混合或不同发育阶段组织的嫁接。

黄体:卵母细胞被释放后由卵泡发育而成的内分泌结构

二倍体:双染色体的:有两组染色体的(人类共有46对)，每对染色体中的一个成员来自卵子，另一个来自精子的卵子和精子细胞都是单倍体，因为它们各自有23条染色体。

生殖系:发育成精子或卵母细胞的细胞

原始内胚层:卵黄囊由低胚母细胞形成

体细胞血统:身体的所有细胞，除了生殖细胞

滋养外胚层血统:产生胎盘滋养层并为内细胞团提供支持的细胞系

透明带:包住哺乳动物卵母细胞的细胞外膜，对受精至关重要

受精卵: 二倍体由精子和卵子融合而产生的细胞

全能干细胞的特征

相对于已建立的胚胎干细胞系，人们已经努力建立方法来稳定或创造具有扩大发育潜力的细胞。

通过这项工作，特别是在小鼠身上，研究人员发现了一些全能性之谜。⁷这部分是通过分析在哺乳动物胚胎发生的早期阶段活跃的基因调节网络，以及筛选化学物质调节干细胞基因表达的能力来实现的。

因为在每一种情况下使用上述的金标准来评估细胞的全能性是不切实际的(通过将卵裂球转移到空的卵裂球中)透明带将其转移给母亲，并观察它是否支持活仔的发育和出生)，已经建立了一些相关的措施和标准。这些方法是基于早期发展阶段特有的特征:

基因表达

基因表达应具有相应发育阶段的特征，例如:

已在小鼠中鉴定出双细胞期特异性基因(Zscan4, Dux, Eifa, Zfp352, Tcstv1/3和Tpodz1-5)¹
全能性细胞应该缺乏关键的多能性基因(Pou5f1 Sox2,而且Nanog已在小鼠身上得到证实)⁸
Oct4，一种单一的转录因子，可能是发育阶段的指示。Oct4编码为POU5F1属于转录因子家族，激活其靶基因的表达。Oct4在生殖细胞、胚胎干细胞和整个胚胎中都有表达，在发育过程中表达水平变化很大。一个关键的角色Oct4胚胎发生已经在包括人类在内的几个物种中被发现。⁹

染色质的流动性

染色质(组蛋白和DNA的复合物，冷凝形成染色体)的流动性在全能性细胞中高于多能性细胞，染色质动力学似乎是细胞可塑性变化的基础。¹⁰

差异化能力

全能细胞应该具有分化的能力在体外分化成代表胚胎三胚层的细胞，以及营养外胚层、原始内胚层及其衍生物。¹

扩增潜能干细胞的建立

已经注意到，虽然一些细胞可能通过了几项全能性测试，但那些“人工”诱导的细胞实际上可能没有正常的发育对应物。

因此，人们创造了一个术语来描述保留全能干细胞特征的细胞:扩展潜能干细胞(EPSCs)。

在小鼠中已经从单个八细胞卵裂球中建立了EPSCs，也已经从小鼠胚胎干细胞和诱导多能干细胞转化而来。¹¹对该协议进行了详细的描述¹²在每种情况下，转换大约需要2-3周。

表征全能干细胞提出了许多挑战，人工诱导的全能细胞是否能单独维持还有待观察。

然而，考虑到其他细胞系可以从EPSCs中获得，以及再生医学在生物技术和医学中的巨大潜力，完善全能性标准很可能仍将是该领域的高优先级。

引用:

贝克，c.l.，佩拉，M.F.(2018)。捕获全能干细胞。细胞干细胞22日:25 - 34
塔可夫斯基(1959)。小鼠卵细胞分离卵裂球发育的实验。自然184: 1286 - 1287
康迪科，M. L.(2014)。全能性:它是什么，它不是什么。干细胞与发育23 (8): 796 - 812
席尔(2007)。母体-合子的转变:rna的死亡和诞生。科学316: 406 - 407
法拉利、。等．(2019)。表观基因组修饰剂和代谢重组:治疗学的新前沿。药理学与治疗学193: 178 - 193
吴,J。等．(2016)。干细胞和种间嵌合体。自然540: 51-59
杨,Y。,等．(2017)。获得具有体内胚胎和胚胎外潜能的多能干细胞。细胞169: 243 - 257
沙罗夫，A。等．(2008)。的识别Pou5f1，Sox2,Nanog通过应用一种新的算法对时间过程微阵列和全基因组染色质免疫沉淀数据进行统计置信的下游靶基因。BMC基因组学9: 269
福格蒂，新墨西哥州等．(2017)。基因组编辑揭示了OCT4在人类胚胎发生中的作用。自然550:67 - 73
Bošković,A。,等．(2014)。较高的染色质迁移率支持全能性，先于多能性在活的有机体内．基因与发育28:1042 - 1047
杨,J。等．(2017)。小鼠扩增潜能干细胞的建立。自然550: 393 - 397
杨,J。等．(2019)。在体外小鼠植入前胚胎或胚胎干细胞扩增潜能干细胞的建立。自然的协议14: 350 - 378