全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第5期
2009年10月
Vol. 21, No. 5
Oct., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)05-0675-04
收稿日期：2009-09-08
基金项目：国家自然科学基金项目( 3 0 5 2 5 0 1 9 ;
30830047); 科技部重大研究计划项目(2007CB947003);
中科院知识创新工程重要方向项目(KSCX1-YW-R-03);
上海高校模式生物E-研究院(E03003); 上海市优秀学科
带头人计划(09XD1404700)
*通讯作者：E-mail: txliu@sibs.ac.cn
造血干细胞研究进展
刘廷析1,2*
（1 中国科学院上海生命科学研究院/ 上海交通大学医学院健康科学研究所干细胞生物学重点实验室和
发育与疾病实验室，上海 200025；2 上海交通大学医学院瑞金医院，上海血液学研究所
医学基因组学国家重点实验室，上海 200025）
摘 要：造血干细胞(hematopoietic stem cell, HSC)是成体干细胞研究领域的范式。对造血干细胞自我更
新和不对称分裂分子遗传学机制的诠释，将不仅帮助理解成体干细胞“干性”维持的发育遗传学机制，
也将对白血病干细胞和其他类型肿瘤干细胞的发育起源及开发针对肿瘤干细胞的靶向治疗模式产生深远的
影 响 。
关键词：造血干细胞；白血病干细胞；自我更新；模式生物
中图分类号：Q 8 1 3 文献标识码：A
Research progress of hematopoietic stem cells
LIU Ting-xi1,2*
(1 Key Laboratory of Stem Cell Biology and Laboratory of Development and Diseases, Institute of Health Sciences,
Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences and Shanghai Jiao Tong University School of
Medicine, Shanghai 200025, China; 2 State Key Laboratory for Medical Genomics, Shanghai Institute of Hematology,
Ruijin Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200025, China)
Abstract: Hematopoietic stem cell (HSC) is a paradigm of adult stem cells. Understanding the genetic basis of self-
renewal and asymmetric division intrinsic to the HSC, will not only help to elucidate the developmental mecha-
nism of “stemness” maintenance in various adult stem cells, but also generate far-reaching impacts on our
understanding of developmental origin of leukemia stem cell and other cancer stem cell that can ultimately be
targeted in the clinical practice.
Key words: hematopoietic stem cells; leukemia stem cell; self-renewal; model organisms
人体血液含有 6 种主要血细胞群体：红细胞、
淋巴细胞、粒细胞、单核细胞、巨噬细胞和血小
板，其主要功能包括运输氧气、执行免疫防御功能
和止凝血功能等重要生命活动。这些血细胞寿命短
暂，如红细胞在血液循环中存活大约120 d，而粒
细胞、单核细胞、巨噬细胞大约是 12 d。估计在
成人体内每秒需要产生150万个血细胞，才能补充
被消耗的血细胞[ 1 ] 。目前已知，造血干细胞
(hematopoietic stem cells, HSCs) 是维持体内血细胞
数量稳定最重要的细胞群体，因而它自身必然受到
细胞内外环境因素的严密调控。在异常情况下，造
血干细胞的耗竭或异常增殖，导致全血细胞减少或
白血病干细胞(leukemia stem cells, LSCs)／白血病激
发细胞(leukemia-initiating cells, LICs)的增加。不同
于功能成熟的血细胞，造血干细胞具有两个重要特
征：自我更新(self-renewal)和多潜能性(pluripotency)。
自我更新通过细胞周期分裂而完成，是造血干细胞
676 生命科学：干细胞研究专刊 第21卷
有丝分裂的一种特殊方式。分裂产生的两个子代细
胞中，一个仍然保留造血干细胞的特征；另一个子
代细胞相对成熟，进入细胞周期活跃状态，通过系
定向(lineage commitment)产生各种类型的成熟血细胞
群体，这一过程即多潜能性。由于产生两个功能不
同，命运不同的子代细胞，造血干细胞分裂因而也
可被视作不对称分裂 (asymmetric division) [2] 。
造血干细胞研究历史可追溯至20世纪60年代，
Till 和 McCulloch 在1961年发现并鉴定脾克隆形成
单位 (colony-forming unit-spleen, CFU-S)作为最早的
造血干细胞。此后，由于巨大的基础意义和临床应
用前景，造血干细胞一直是生命科学研究领域中的
重点和热点，并随后成为成体干细胞研究领域的重
要范式。目前，除造血干细胞外，神经干细胞、
肠道干细胞、皮肤干细胞和心肌干细胞等相继被分
离和初步鉴定。由于造血干细胞移植技术在临床上
的潜在价值，从腹侧中胚层前体细胞及诱导多能干
细胞 (induced pluripotent stem cells, iPS细胞)向造血
干细胞定向发育的机制、造血干细胞在活体内定向
迁移和归巢 (homing)的机制，以及造血干细胞在体
外扩增并定向诱导分化为单种成熟血液细胞的现实
可能性等均是目前研究的重点和热点。由于流式细
胞仪、荧光蛋白示踪技术、显微镜技术和模式动物
研究的进展，正常造血干细胞和白血病干细胞或白
血病激发细胞相继被分离和确定[3]。同时，由于目
前的肿瘤化学治疗和放射治疗主要杀伤细胞周期活
跃、处于增殖期的肿瘤细胞，因而虽然能够减轻肿
瘤细胞负荷，但由于不能根除微环境中细胞周期相
对不活跃的白血病干细胞，导致肿瘤复发和治疗失
败[3]。考虑到无论是正常造血干细胞还是白血病干
细胞都需要和它们所处的细胞微环境“龛”
(microenvironmental niche)密切相互作用，并进而控
制上述造血干细胞独特的生物学特性，因而研究微
环境“龛”和干细胞在生理和病理情况下的相互作
用，成为干细胞研究的新一轮热点[4]。以下对造血
干细胞研究的主要进展和存在的问题作一简述。
1 造血干细胞的发育起源和迁移
经过一个多世纪在体外和模式动物体内的研
究，目前关于造血干细胞的发育起源仍然存在争
议。所有脊椎动物(如斑马鱼、鼠和人)造血都可被
分成两个连续的阶段：原始造血和定向造血。原始
造血呈一过性，主要产生红细胞和一定数量的巨噬
细胞，在哺乳动物位于胚外卵黄囊血岛，在斑马鱼
则位于胚内后部双侧侧板中胚层(posterior bilateral
plate mesoderm, P-BLPM) (早期) 和中间细胞群
(intermediate cell mass, ICM) (晚期)。定向造血位于
主动脉-性腺-中肾(aorta-gonad-mesonephros, AGM)
区，在脊椎动物进化中高度保守，被认为是第一个
定向造血干细胞发生的位点[4]。目前，争论的焦点
是AGM区的定向造血干细胞是独立起源还是由卵黄
囊血岛原始造血前体细胞发育而来，在小鼠造血干
细胞系示踪实验表明，原始造血前体细胞参与定向
造血干细胞的形成[5]，但相反的实验结果也有报道[6]。
Mikkola1研究组[7,8]报道在胎盘微环境中的血管内皮
细胞发现造血干细胞，使造血干细胞的发育起源问
题进一步复杂化。这些位于不同解剖位点的造血干
细胞也许仅仅反映了它们在发育过程中的迁移路
径，而不是代表独立的发育起源。但为什么造血干
细胞要经历这样一个复杂的迁移路径，出现在解剖
上高度隔离的位点，其原因还不清楚。对这一问题
的机制性研究可能会帮助我们理解造血干细胞归巢
的分子机制和改进临床上骨髓造血干细胞移植效
率，并对识别白血病干细胞转移的信号路径产生重
要影响。
2 造血干细胞的体外诱导、扩增和定向分化
HoxB4 是第一个被证明可在体外促进造血干细
胞数量扩增，同时又保持其多向分化潜能的基因[9]。
在体内，Bmi-1 基因被认为与造血干细胞自我更新
和数量的维持有密切相关[10,11]。造血干细胞向粒细
胞和血小板分化已有报道。最近，诱导多潜能干细
胞技术可使高度分化成熟的细胞在表达 4 个
Yamanaka因子后，通过基因组重编程成为具有发育
全能性的胚胎干细胞[12]，并能通过4个细胞囊胚期
注射发育成为成体小鼠[13]。这些研究进一步扩大了
胚胎干细胞和它们的衍生定向造血干细胞的应用前
景。胚胎干细胞、iPS 细胞和与造血干细胞为代表
的成体干细胞的联合研究将为再生医学提供广阔的
空间。
3 造血干细胞微环境“龛”及其对干细胞的影响
造血干细胞自我更新分裂是造血干细胞的重要
特征，在补充大量消耗的成熟血细胞的同时，又保
持体内造血干细胞的数量相对恒定。日益增多的证
据表明，造血干细胞这一独特的生物学特性依赖与
造血微环境“龛”的相互作用。造血微环境“龛”
中的细胞成份还不十分清楚。2004 年，两个研究
小组发现骨髓微环境“龛”中的细胞，包括破骨
677第5期 刘廷析：造血干细胞研究进展
细胞和血管内皮细胞作为支持造血干细胞发育和自
我更新的细胞群体[14]。一些证据表明，交感神经元
的轴突末端也可能是微环境“龛”的一部分，调
节造血干细胞功能[15]。微环境“龛”细胞可能通
过提供多种分泌因子和 WNT、SHH 和 TGF-β 等多
种 信 号 路 径 来 维 持 造 血 干 细 胞 的 “ 干 性 ”
(stemness)。考虑到造血干细胞在微环境中的空间
位置及发生细胞周期分裂时中心粒和纺锤体的空间
定位，可以假设在造血干细胞分裂产生的两个子代
细胞中，贴近微环境“龛”细胞的那一个子代细
胞由于优先受到“龛”细胞分泌的 W N T 等“干
性”维持信号的影响，因而仍然保留了造血干细胞
的特征；另一个子代细胞由于“远离”微环境
“龛”细胞，因而相对成熟并进入增殖周期分化成
为成熟血细胞群体。从后果上看，由于造血干细胞
这种独特的自我更新分裂产生了两个功能和命运各
不相同的子代细胞，因此可被认为是不对称分裂。
造血干细胞不对称分裂的分子机制目前还不清楚。
在更低等的模式生物，如果蝇和线虫，控制不对称
分裂的遗传学机制高度保守。与不对称分裂有关的
基因或信号路径(如Par-3、Par-6、Lgl、Numb、
APKC 等)均存在于哺乳动物造血干细胞[2]。最近，
Reya研究组[16]在造血干细胞分裂时观察到Numb蛋
白的不对称分布，提示哺乳动物造血干细胞可能使
用类似的不对称分裂遗传学机制来控制造血干细胞
的自我更新。
4 白血病肿瘤干细胞概念的意义及其对临床的影响
一般认为，白血病是造血干细胞克隆性疾病。
白血病干细胞(leukemia stem cells)表达细胞膜表面抗
原(CD34+CD38-CD133+lineage-), 与正常造血干细胞膜
表面抗原(CD34+CD38-CD90+lineage-) 非常近似，因
而推测白血病干细胞可能起源于正常造血干细胞的
恶性转化，但白血病干细胞也可能起源于相对分化
成熟的造血祖细胞甚至是成熟血细胞。由于自我更
新信号转导路径对于白血病干细胞和白血病的自我
维持密切相关，而该路径在正常造血干细胞中已经
存在，故相对于分化较成熟的祖细胞而言，正常造
血干细胞直接转化为白血病干细胞只需要累积更少
的突变[3]。由于白血病干细胞在细胞起源上尚存争
论，目前倾向于使用白血病激发细胞(leukemia-ini-
tiating cells)代替白血病干细胞这一术语，以强调该
群细胞的肿瘤激发潜力。由于白血病干细胞(或白
血病激发细胞)只在白血病细胞群体中占很少比例，
目前的肿瘤治疗方法(化疗和放疗)对细胞周期活跃的
肿瘤细胞有较强的杀伤作用(因而能够降低肿瘤负
荷)，但不能根除细胞周期沉默的白血病干细胞而
导致肿瘤复发，这是治疗失败的主要原因[3]。理论
上，开发针对白血病干细胞或白血病激发细胞的靶
向治疗应该能够根除白血病，但由于白血病干细胞
和正常干细胞之间可能使用共同的自我更新信号转
导路径，故寻找正常和恶性干细胞之间的遗传学差
异成为目前的研究前沿。研究发现，肿瘤抑制基因
Pten缺失的小鼠引起造血干细胞恶性转化，且正常
和白血病干细胞对Pten功能的依赖性不同，为进一
步开发特异性针对白血病干细胞(但不影响正常造血
干细胞)的治疗方法奠定了基础[17,18]。另一项研究发
现相对于正常造血干细胞而言，白血病干细胞表达
更高水平的膜表面抗原CD47, 并可介导巨噬细胞对
白血病干细胞的特异性杀伤，为未来白血病干细胞
靶向治疗提供了理论和实验基础[19,20]。目前研究的
焦点主要集中在理解肿瘤干细胞和正常干细胞在遗
传学、表观遗传学及非编码 RNA 信号路径上的异
同，并从中找出可能的诊断和治疗靶点。由于历史
和样本取材方便等原因，造血干细胞一直被认为是
成体干细胞研究领域的经典范式。预期对于白血病
干细胞的分子遗传学和发育生物学研究也将对肿瘤
生物学和肿瘤干细胞领域产生不可估量的重要影响。
5 正常和白血病干细胞发育和自我更新的信号转
导路径
如前所述，无论是正常造血干细胞还是白血病
干细胞，其最重要的细胞生物学特性是自我更新
(self-renewal)。自我更新机制至少包括了“干性”
(stemness)维持或多潜能维持的机制和分化抑制的机
制，在四维时空框架内通过不对称分裂的方式来完
成。目前已知参与造血干细胞自我更新的分子和信
号路径包括Hoxb4、Pten、Bmi-1、WNT、TGF-β
和SHH信号路径等，但基因组中有多少这样的基因
参与造血干细胞自我更新？要回答这个问题，目前
的逆向遗传学策略(reverse genetics)，如基因敲除小
鼠，并不能有效识别所有控制造血干细胞自我更新
的基因；而经典的正向遗传学策略(forward genetics),
即表型驱动，基因组饱和的遗传学筛选结合染色体
步移和定位克隆可有效在全基因组规模上筛选和确
定造血干细胞自我更新所必需的相关基因和路径。
在人类，正向遗传学策略主要用于疾病基因的定位
克隆，但遗传家系的数量、大小和遗传背景复杂是
678 生命科学：干细胞研究专刊 第21卷
其主要的制约因素。在小鼠，通过 EN U 化学随机
诱变技术制造遗传疾病家系，筛选并定位克隆相应
的基因，已证明是候选基因识别的有效手段。但由
于需要海量的人力、物力和财力，基因组饱和筛选
目前仍难以进行。如 Vogel 博士所说：“作同样的
遗传学筛选，小鼠需要一个工厂，斑马鱼只需要一
间实验室。”[ 2 1 ]
斑马鱼是近年在国际上新兴的人类发育和疾病
脊椎动物模式生物，兼具“小” 模式生物体(酵
母、线虫和果蝇)和“大”模式生物体(鼠)的综合
优势。作为连接非脊椎动物和哺乳动物的“桥
梁”，其独特的生物学、基因组学、遗传学优势
及其高度保守的发育和疾病信号传导路径，使其成
为以表型驱动的正向遗传学筛选策略，在基因组规
模上识别人类发育和疾病未知基因或信号转导路径
的最佳模式生物体之一[22]。斑马鱼ENU化学随机诱
变饱和筛选在德国和美国已获得成功。1996年，国
际著名学术刊物Development第123整期对Nusslein-
Volhard(1995年诺贝尔奖获得者)所领导的这一工作
予详细报道。然而，这些筛选有两个明显的不足：
(1)形态学筛选，主要通过肉眼观察来确定突变表型
(如贫血)；(2)没有针对特定的干细胞群体进行筛
选。2006 年 5 月，我们实验室应用 ENU 化学诱变
技术获得1000个隐性遗传突变家系，在第三代进行
遗传学筛选，目前已获得数十个影响造血干细胞发
育和自我更新的突变株。毫无疑问，对这些突变家
系进行定位克隆，将对我们理解脊椎动物和哺乳动
物造血干细胞发育和自我更新打下坚实的物质基
础。一旦这些基因被克隆，我们将评估它们在白血
病干细胞恶性转化中的地位和作用。由于白血病干
细胞可能使用与正常造血干细胞不同或类似的自我更
新机制来维持肿瘤细胞的恶性增殖，因而识别两者
在自我更新机制上的细微不同，可能最终导致白血
病干细胞诊断和治疗靶点的确定并最终应用于临床。
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