中山大学等最新干细胞研究成果

【字体: 时间:2008年01月17日 来源:生物通

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  来自南佛罗里达州大学医学院再生医学实验室,卡罗来那州立大学环境与放射性健康科学(Environmental & Radiological Health Sciences,生物通注),中山大学生命科学学院,西班牙国立癌症研究中心(Spanish National Cancer Centre (CNIO), 生物通注)的研究人员惊讶的发现在胚胎早期分裂阶段,端粒长度的增加并不依赖于端粒酶的活性,而是存在另外一种循环机制,这对于了解干细胞及癌症干细胞的复苏,以及进一步研究干细胞机理意义重大。这一研究成果公布在《Nature Cell Biology》杂志上。

  

生物通报道:来自南佛罗里达州大学医学院再生医学实验室,卡罗来那州立大学环境与放射性健康科学(Environmental & Radiological Health Sciences,生物通注),中山大学生命科学学院,西班牙国立癌症研究中心(Spanish National Cancer Centre (CNIO), 生物通注)的研究人员惊讶的发现在胚胎早期分裂阶段,端粒长度的增加并不依赖于端粒酶的活性,而是存在另外一种循环机制,这对于了解干细胞及癌症干细胞的复苏,以及进一步研究干细胞机理意义重大。这一研究成果公布在《Nature Cell Biology》杂志上。

文章的通讯作者是中山大学国家教育部“长江学者奖励计划”特聘教授刘林博士,以及佛罗里达州大学医学院的David L. Keefe博士,前者早年毕业于北京农业大学(现中国农业大学),2003年被聘为中山大学国家教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,研究方向为干细胞转基因克隆及哺乳动物早期发育的分子机制。2007年被聘为南开大学生命科学院特聘教授, 兼副院长主管研究生工作。研究方向:在发育生物学和生殖生物技术领域,尤其是在最终能造福人类健康的胚胎工程和再生医学领域,进行基础科学及生物医学应用方面的研究,如哺乳动物(包括人类)卵子、胚胎及干细胞等生殖与发育相关的机理与技术工程研究。

组织中的干细胞具有自我更新的能力,当组织衰老时,可以产生分化细胞来代替死去的细胞。休眠的干细胞(quiescent stem cells)特异性的位于一些特殊的微环境中(specific microenvironments)。当需要的时候,他们开始增殖,并从这些微环境中出来。这个过程被认为是由微环境中细胞外的线索(extracellar cues)和固有的遗传程序控制。通过对小鼠模型的研究,Flores等人发现,表皮的干细胞(epidermal stem cell)的活动由端粒调节。端粒是染色体末端的一种核蛋白(nucleoprotein)。短的端粒抑制干细胞的活动(mobilization)。而合成端粒的端粒酶的过度表达(overexpression),促进干细胞的活动。端粒对干细胞功能的影响至少可以部分说明它们在衰老和癌症中的作用。

端粒酶(telomerase)的表达对于维持干细胞自我更新能力和复制潜能具有重要意义,雄性生殖系和干细胞中端粒酶活性高,但是在成熟卵母细胞和卵裂期(cleavage stage,生物通注)胚胎中,端粒酶活性降低或消失,之后胚泡(blastocyst)中又重新恢复活性。目前对于早期胚胎重排端粒长度的了解还很少。
在这篇文章中,研究人员发现卵母细胞的端粒虽然比体细胞端粒短,但是在早期分裂发育阶段端粒长度会大幅度增加,而且孤雌生殖(parthenogenetical)卵母细胞的端粒长度也会增加,因此研究人员认为卵母细胞本身具有延长端粒的能力。

更重要的是,研究人员在端粒酶缺失的小鼠的早期分裂胚胎中发现端粒竟然也会延伸,这说明端粒酶在这些细胞中并不是端粒突然增长的原因。那么是什么导致了端粒增长呢?

通过进一步实验,研究人员发现,伴随着端粒增长,能观察到端粒姐妹染色体交换(telomere sister-chromatid exchange,T-SCE,生物通注)延伸,与DNA重组蛋白Rad50和TRF1的同位化(colocalization),而在胚泡期这两者又会减少,同时伴随着端粒酶活性增加,端粒延伸减慢。

从中研究人员得出结论,在早期分裂阶段,端粒长度以一种基于重组的机制进行循环,而且自胚泡阶段起,端粒酶只是起到通过这种可变机制维持端粒长度的作用。
(生物通:张迪)

原文摘要:
Nature Cell Biology - 9, 1436 - 1441 (2007)
Published online: 4 November 2007; | doi:10.1038/ncb1664
Telomere lengthening early in development
『Abstract』


名词解释:
1.端粒

  端粒是存在于真核生物线性染色体末端,由串联重复的短的dsDNA序列及其相关的蛋白所组成的DNA蛋白复合体。dsDNA中的一条为富G链,以5′→3′指向染色体末端,比另一条互补链长8个~12个碱基,这是端粒DNA分子的结构特征,是端粒酶识别工作的基础。

  端粒既有高度的保守性;如原生动物、真菌、植物、动物序列都很相似;又有种属特异性,如四膜虫重复序列为GGGGTT,草履虫为TTGGGG,人和哺乳动物为TTAGGG,等等。

  端粒的功能除保证DNA完整复制外,还在维持染色体结构稳定(保护染色体不分解和染色体重排及末端不相互融合等),染色体在细胞中的定位(使之不随机分布)和引起细胞衰老等方面起着重要作用。众所周知,真核DNA是线性DNA,复制时由于模板DNA起始端为RNA引物先占据,新生链随之延伸;引物RNA脱落后,其空缺处的模板DNA无法再度复制成双链。因此,每复制一次,末端DNA就缩短若干个端粒重复序列,即出现真核细胞分裂中的“末端复制问题”。当端粒缩短到一定程度时即引起细胞衰老,故端粒又称“细胞分裂计时器”。
2.胚泡(blastocyst)

  哺乳动物特有的囊胚。桑椹胚细胞继续分裂增生,卵裂细胞的分泌导致细胞团间出现裂隙,后扩大成囊腔,称胚泡腔或囊胚腔,腔内充满液体。细胞分为二部分,构成胚泡外壁的扁平细胞层,称滋养层(trophoblast),可以从母体吸取营养,此层将形成胎盘的一部分。另一部分细胞成团在胚泡腔的一侧附着在滋养层上,称内细胞团(inner cell mass),将要形成胚体和一部分胎膜,有些哺乳动物胚泡的内细胞团不太明显,而真兽亚纲哺乳动物的内细胞团和滋养层区分明显。在子宫腔内随子宫液渗入胚泡内的量增多,胚泡腔及胚泡继续增大。

附:
刘林,男,博士,教育部“长江学者”奖励计划特聘教授,国家杰出青年基金获得者。

电子邮件:liutelom@yahoo.com

1993年获北京农业大学(现中国农业大学)动物生殖学与生物技术博士学位。1994年至1996年赴英国剑桥Babraham研究所发育及信号传递系分子胚胎学实验室作访问学者及博士后研究,研究卵子孤雌激活,猪、羊胚胎生殖干细胞、核移植克隆,精子注射。1996年至1998年在美国康奈尔大学,康州大学作动物科学系博士后研究,研究分子胚胎学、卵子激活的细胞周期调控、牛和兔的体细胞核移植克隆和转基因。1998年至2004年,在美国布朗大学妇产科系生殖医学实验室,任研究员、助理教授,研究早期胚胎发育核质相互作用,老龄卵子及胚胎细胞凋亡的信号传递及分子机制、胚胎非侵入性显微操作,与年龄相关的卵子不育中线粒体和端粒的功能、核移植、成体干细胞和分化。1998年至今,美国海洋生物学实验室(MBL)兼职研究员。2003年被聘为中山大学国家教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。研究方向为干细胞转基因克隆及哺乳动物早期发育的分子机制。2005 年兼聘于南佛罗里达大学妇产科系访问助理教授。 2007 年被聘为南开大学生命科学院特聘教授, 兼副院长主管研究生工作。研究方向:在发育生物学和生殖生物技术领域,尤其是在最终能造福人类健康的胚胎工程和再生医学领域,进行基础科学及生物医学应用方面的研究,如哺乳动物(包括人类)卵子、胚胎及干细胞等生殖与发育相关的机理与技术工程研究。

科研工作先后获得国家教育部博士点基金,国家自然科学基金,英国海外发展中英技术合作基金,美国农业部,美国卫生部,康乃尔大学及康州大学博士后基金,布朗大学妇女儿童医院教师研究基金,中国卫生部部属(管)医疗机构临床学科重点、广州市科技计划项目、中国-加拿大国际合作项目等科研基金的资助。刘林教授于1996年在世界首次获得用细胞周期同步化在分裂期及用体外成熟卵子做核受体的三只胚胎克隆绵羊。首次发现小鼠端粒变短及功能异常导致卵子减数分裂异常。先后在包括 Nature Biotechnology, Proc Natl Acad Sci USA, EMBO Reports, JBC, Developmental Biology等SCI收录杂志上发表学术论文近50篇。还有40余篇摘要发表在国际科学会议论文集中。先后被国际会议及国外高校邀请作报告20余次。曾获得多项奖励,包括2003年度美国生殖医学会辅助生殖技术奖。作为会员主要参加:美国科学促进学会(AAAS);纽约科学院学会(NYAS);生殖研究学会(SSR);国际胚胎移植学会(IETS);中国动物学会生殖生物学分会第五届理事会理事。

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