备课素材：iPS细胞及其优势-2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

iPS细胞及其优势 2012年，山中伸弥荣获诺贝尔生理学或医学奖。诱导多能干细胞（iPS细胞或iPSC），是日本科学家山中伸弥在2006年利用病毒载体进行转录因子组合而形成的细胞。这种细胞酷似人类的胚胎干细胞，具有超强的分化能力。可以分化出这个人的血细胞，骨细胞，神经细胞等，进而培养出这个人的脏器，骨头，眼角膜，胰岛素等，分化后用途例如：可以刺激iPS细胞成为β胰岛细胞，然后用于糖尿病患者等。 在同源重组中，与受损染色体匹配的同源染色体的信息（或者如果DNA已经被复制，则是来自姊妹染色单体）被用来修复断裂。在这个过程中，两个同源染色体相互结合，同源染色体或染色单体的未受损区域被用作模板，替换断裂染色体的受损区域。同源重组比非同源末端连接更“干净”，通常不会引起突变。 iPS细胞与多能干细胞相似的特征的条件 在以下方面，iPS细胞具有与多能干细胞非常相似的特征 形态：iPSCs形态类似于胚胎干细胞：圆状、大核仁以及胞浆小。iPSC细胞群和胚胎干细胞群也相似，人体iPSC细胞群呈现长边、扁平和紧密的特征，人类胚胎干细胞群也是如此。此外，小鼠iPSC细胞群和小鼠胚胎干细胞群一样表现出更质密、稍扁平的特征。 生长特性：倍增期和有丝分裂是胚胎干细胞特征，后者必须具有自更新能力。而iPS细胞分裂快和自更新活跃，并具有与胚胎干细胞一样的增殖和分裂速度。 干细胞标记物：iPS细胞表达出胚胎干细胞表面具有的表面抗原标记。人体iPSCs表达出人类胚胎干细胞特有的标记分子，包括SSEA-3、SSEA-4、TRA-1-60、TRA-1-81、TRA-2-49/6E和Nanog。此外，与小鼠胚胎干细胞一样，小鼠iPS细胞表达出SSEA-1，但不表达SSEA-3和SSEA-4。 干细胞基因：iPSCs的表达基因类似于未分化胚胎干细胞的，其中包括Oct-3/4、Sox2、Nanog、GDF3、REX1、FGF4、ESG1、DPPA2、DPPA4和hTERT。 端粒酶活性：端粒酶是细胞分裂（50次Hayflick界限的限制）所必要的，人类胚胎干细胞的端粒酶活性处于高水平以维持自我更新和增殖，iPSCs同样具有处于高水平的端粒酶活性，并表达出端粒酶逆转录酶，它是端粒酶蛋白质复合体的必要组成部分。 iPS细胞具有类似于胚胎干细胞的分化潜能 神经分化 iPS细胞分化成神经元，后者表达出βIII-tubulin、tyrosinehydroxylase、AADC、DAT、ChAT、LMX1B和MAP2。儿茶酚胺相关酶表明iPSC细胞，像胚胎干细胞一样，以分化成多巴胺能神经元。细胞分化后干细胞相关的基因表达水平下降。 心脏分化 iPS细胞分化成能够自发地跳动的心肌细胞，后者表达TNTC、MEF2C、MYL2A、MYHCβ和NKX2.5细胞。细胞分化后干细胞相关的基因表达水平下降。 畸胎瘤形成 iPS细胞注射免疫缺陷小鼠体内，九周后自发形成的畸胎瘤。畸胎瘤是多谱系肿瘤，包括内胚层、中胚层和外胚层的组织，这一点不同于其它肿瘤（仅有一种细胞类型）。畸胎瘤在多能性测试方面具有里程碑意义。 胚状体 人体胚胎干细胞在培养中自发形成球状类胚体结构，被称为“胚体”，它包括有丝分裂核、分化的人体胚胎干细胞和来自3胚层的外周分化细胞。iPS细胞也形成胚状体，并具有外周分化细胞。 嵌合体小鼠 人体胚胎干细胞天然驻留在囊胚内细胞团内，当滋养层分化成胚胎外组织时，囊胚内细胞团在成胚内随之分化成胚体。中空的滋养层细胞无法形成胚胎，因此胚胎干细胞在成胚内分化并形成胚体。通过微型移液器将iPS细胞注射到滋养层细胞中，囊胚转变成雌性受体，研究人员创建出嵌合体的小鼠幼仔，那些iPSC处理的小鼠全身上下具有10％-90％的嵌合体。 四倍体互补 来自小鼠胚胎成纤维细胞的iPS细胞注入四倍体囊胚（仅形成胚外组织）内，形成非嵌合体的完整小鼠，它具有生育能力，只是成功率很低。 干细胞领域中，iPS细胞为再生医学带来了光明的未来。仍然需要考虑的是，继续持续研究iPS干细胞，目的是有朝一日IPSC可以彻底安全地广泛使用。 学科网（北京）股份有限公司 $$