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CELL RES | 韓建永團隊聯合多家單位突破豬胚胎多能干細胞建系國際難題
發布日期:2021-12-01 瀏覽次數:  信息(xi)來源:生物火(huo)狐(hu)體育平臺

家畜干細胞(bao)在生命科(ke)學基礎研究、細胞(bao)培養人造肉生產(chan)和優良品種培育等方面具有巨大(da)應用前(qian)景。自1981年(nian)小鼠胚胎干(gan)細(xi)胞 (mESCs)獲得成(cheng)功以來(lai),國內外科(ke)學家一直試圖建立穩(wen)定的、可長期傳代(dai)的大家畜胚胎(tai)多能干細胞系(xi),但始終(zhong)未獲得(de)成功。近日,火狐體(ti)育官網(wang)韓建永教授團(tuan)隊聯合國內多家單位獲得(de)重(zhong)大突破,成功建立了目前世界家畜干細胞(bao)傳代次(ci)數最多(傳代260次以上(shang))、可進(jin)行(xing)多(duo)(duo)次基(ji)因編輯操作的豬胚(pei)胎(tai)干(gan)細胞系,攻克了豬胚(pei)胎(tai)上(shang)胚(pei)層多(duo)(duo)能干(gan)細胞建系的國際難(nan)題(圖1)。1130日,該研究成果在(zai)線(xian)發表(biao)在(zai)國際(ji)著名學術(shu)期刊《細(xi)胞(bao)研究》(Cell ResearchIF25.6)上。

豬既是(shi)重(zhong)要的(de)家畜,也是(shi)重(zhong)要的(de)實驗動(dong)物,在基礎研究、人類疾病模(mo)型、異種(zhong)器官移(yi)植等領域用途廣(guang)泛。針(zhen)對家畜胚胎上(shang)胚層多能干(gan)細胞(bao)建系困難(nan),傳代次數短,難(nan)以承受多次基因編輯操作等國際難(nan)題, 火(huo)狐(hu)體育官網(wang)韓(han)建永團隊聯合四川農業(ye)大學、中國(guo)科(ke)(ke)火(huo)狐(hu)體育平臺(tai)動物研究所、中國(guo)科(ke)(ke)火(huo)狐(hu)體育平臺(tai)北京(jing)基因研究所、東北農業(ye)大學等單位,以(yi)豬為(wei)模式(shi)生物,開展了(le)聯合科技(ji)攻關,取得(de)家畜(chu)胚胎干細胞領域(yu)的重大(da)突(tu)破。

研究人員從早期胚胎(tai)多能(neng)性發(fa)育調控分子機制入手,攻克豬(zhu)早期胚胎單細胞分離技術(shu), 首次繪制了豬胚胎第(di)0-14完整(zheng)附植(zhi)前階段高質量單細胞轉錄組(zu)圖譜, 解(jie)析(xi)了豬上(shang)胚層多能性狀態 (初(chu)始態、中間(jian)態和激發態) 變化及調控(kong)的分子機(ji)制基于單細胞數據(ju), 創制(zhi)了豬原腸化前上胚層(ceng)多(duo)能干細胞 (pgEpiSCs) 培養體(ti)系, 成功建立15株細胞系, 細胞維持(chi)上胚層多能性狀態(tai), 具有典型干細胞特征, 最長(chang)傳代(dai)次數超過(guo)260,是目(mu)前世界上已報(bao)道傳(chuan)代次數最(zui)多的大動(dong)物干(gan)細胞系(xi);對(dui)pgEpiSCs進(jin)行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多組學聯合分(fen)析,從(cong)三維基因組(zu)層(ceng)面發現pgEpiSCs具有較(jiao)強的組織分化能(neng)力, 鑒定(ding)了75個在(zai)pgEpiSCs中具(ju)有重(zhong)要(yao)功能的轉錄因子, 為后續(xu)豬多能干細胞調控機制研究奠定(ding)了重要(yao)基(ji)礎;通(tong)過對pgEpiSCs進行3次不同方式基因編輯(ji)包括隨機插入CRISPR/Cas9介導的定點插入以及單堿基編輯器(qi)介(jie)導(dao)的(de)堿基CT置(zhi)換, 并(bing)以經(jing)過(guo)三次基因編(bian)輯的干細(xi)胞系為(wei)供(gong)體(ti)細胞, 通過核移(yi)植技(ji)術,獲得來源于pgEpiSCs、出生存(cun)活的基因編輯克隆豬(圖2),解決了家(jia)畜(chu)干細胞(bao)難以(yi)承受長周期、多次基因(yin)編輯(ji)的國際難題

1 穩定(ding)的豬胚胎原腸化前上胚層干細胞系 (pgEpiSCs) 建(jian)立及其特征分(fen)析



2 體外穩定傳代的豬上胚層干細胞(左)及經過1次(右上)和3次(右下)

基因編輯干細胞克隆(long)豬

該成果具(ju)有(you)廣(guang)闊的(de)應用前景:

一是(shi)在(zai)生(sheng)命(ming)科(ke)學基礎研究領域,作為(wei)一(yi)種(zhong)全新的、穩定的豬(zhu)胚胎多能(neng)干細胞系,pgEpiSCs成功(gong)建系開(kai)創了(le)家(jia)畜(chu)多能(neng)干細胞(bao)研究的(de)新方向(xiang)。與小鼠相比,豬的(de)胚胎發育(yu)和人類更加相似, 豬(zhu)的(de)胚胎(tai)干(gan)細胞(bao)是(shi)研究人(ren)類胚胎(tai)發育(yu)更為理想的(de)細胞(bao)模型。通過(guo)豬(zhu)、人(ren)、小鼠等不同物(wu)種的(de)多能干(gan)細胞(bao)比較,能夠(gou)發現干(gan)細胞(bao)多能性維持的(de)物(wu)種間差異性和統一性, 為異(yi)種器官移植等再(zai)生醫學研究提供理論依據。

二是(shi)在(zai)細胞(bao)培(pei)養肉領域,pgEpiSCs可作(zuo)為未來(lai)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)培養等基(ji)于細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)功能性(xing)產品的(de)種子細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)。目前細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)培養肉研(yan)制的(de)種子細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)多為肌肉和脂肪細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)祖細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao), 并不具有長期傳代增殖能力,成(cheng)為(wei)體(ti)(ti)外大規模(mo)生(sheng)產細胞培(pei)養肉的(de)技術瓶頸。pgEpiSCs能(neng)夠在(zai)體外長期穩定(ding)傳(chuan)代, 通過體(ti)外大規模(mo)培養, 獲得大量初(chu)始細(xi)胞(bao), 再(zai)通過(guo)定向誘導分化獲得肌肉細胞(bao)和(he)脂肪細胞(bao),可以解決“種子細胞”傳代時間短等細胞培養肉的技術難題。

三(san)是在醫學模式(shi)動物研究(jiu)領域(yu),pgEpiSCs與基因編輯結合, 可用于構建人類疾病模(mo)型或(huo)抗病豬模(mo)型。傳統(tong)的基(ji)(ji)于體細胞基(ji)(ji)因編輯和克隆的技術囿于體細胞難以耐受多次基(ji)(ji)因編輯, 難(nan)以同時獲得多基因(yin)編輯克(ke)隆家畜, 通常需要采(cai)用重復(fu)性(xing)克(ke)隆(re-cloning)和重新分離成纖維細(xi)胞, 達到多(duo)基因(yin)編(bian)輯的(de)目的(de),周期短,效(xiao)率(lv)低。實驗證實豬上胚層多(duo)能干細胞(bao)對基因(yin)編(bian)輯有(you)很好的(de)耐(nai)受性,至(zhi)少可以耐(nai)受三次連續的(de)基因(yin)編(bian)輯, 這將大大縮(suo)短獲(huo)得多基(ji)因編輯克隆豬的時間和成本。

四(si)是在家(jia)畜(chu)優良品種培育領域,pgEpiSCs通過定向(xiang)誘導分化為精(jing)子和卵母細胞(bao)(bao)(bao)可以實現干細胞(bao)(bao)(bao)育(yu)種(zhong)。胚胎干細胞(bao)(bao)(bao)可以在體外(wai)誘導完(wan)成配子發(fa)育(yu)的整個過程, 形成有(you)功能的精子或(huo)卵母細胞。將干細胞與(yu)基(ji)因組測序和基(ji)因組選(xuan)擇等技術(shu)結(jie)合(he), 再通過(guo)體外生殖細(xi)胞誘導和體外受精, 獲得子代胚(pei)胎(tai), 結合基因(yin)組選擇技術,可(ke)以(yi)在實(shi)驗室中完成(cheng)優(you)良(liang)家畜(chu)胚胎(tai)的批量生產和(he)精(jing)準選擇,實(shi)現家畜(chu)干(gan)細胞育種(zhong),可(ke)顯著縮短世代間隔(ge)和(he)提(ti)高選擇強(qiang)度, 快(kuai)速獲得30~40倍的遺傳增益,實現重(zhong)要經(jing)濟性狀的快速(su)遺傳(chuan)改(gai)良。 

該研究受到國(guo)家重點研發計劃(hua)(2016YFA0100202)、高層次人才計劃等項目資助(zhu), 火狐體育(yu)官網博士生(sheng)郅明雷、張(zhang)金穎, 四川(chuan)農業大學唐茜子教(jiao)授, 火狐體育(yu)(yu)官網動(dong)物科(ke)技火狐體育(yu)(yu)平臺高帥(shuai)副(fu)教授(shou), 中國科火狐體(ti)育平臺(tai)動(dong)物研究所余大為博士為本文共(gong)同第一作(zuo)者, 火狐(hu)體育官網韓建永教(jiao)授, 四川農業大學李明洲教授(shou), 中國科火狐體育(yu)平臺北京基因(yin)組研究(jiu)所鄭彩宏博士, 東北農(nong)業(ye)大(da)學劉忠華(hua)教授(shou)為本文的共同(tong)通訊作者(zhe)。云(yun)南(nan)農(nong)業(ye)大(da)學魏紅(hong)江教授(shou)和(he)中國(guo)科火狐體育(yu)平臺動物(wu)研究所周(zhou)琪研究員為資深作者(zhe)。

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